風電應用(三)葉片設計6

     (3)材料選擇
    葉片發展初期,由于葉片較小,有木葉片、布蒙皮葉片、鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片、鋁合金葉片等等,隨著葉片向大型化方向發展,復合材料逐漸取代其他材料幾乎成為大型葉片的唯一可選材料。復合材料具有其它單一材料無法比擬的優勢之一就是其可設計性,通過調整單層的方向,可以獲得該方向上所需要的強度和剛度。更重要的是可利用材料的各向異性,使結構不同變形形式之間發生耦合。比如由于彎扭耦合,使得結構在只受到彎矩作用時發生扭轉。在過去,葉片橫截面耦合效應是一個讓設計人員頭疼的難題,設計工程想方設法消除耦合現象。但在航空領域人們開始利用復合材料的彎扭耦合,拉剪耦合效應,提高機翼的性能。在葉片上,引人彎扭耦合設計概念,控制葉片的氣彈變形,這就是氣彈剪裁。通過氣彈剪裁,降低葉片的疲勞載荷,并優化功率輸出。
    玻璃纖維增強塑料(玻璃鋼)是現代風機葉片普遍采用的復合材料,玻璃鋼以其低廉的價格,優良的性能占據著大型風機葉片材料的統治地位。但隨著葉片逐漸變大,風輪直徑已突破120m,長的葉片已做到61.5m,葉片自重達18t。這對材料的強度和剛度提出了更加苛刻的要求。全玻璃鋼葉片已無法滿足葉片大型化,輕量化的要求。碳纖維或其它高強纖維隨之被應用到葉片局部區域,如NEG Micon NM 82.40m長葉片,LM61.5m長葉片都在高應力區使用了碳纖維。由于葉片增大,剛度逐漸變得重要,已成為新一代MW級葉片設計的關鍵。碳纖維的使用使葉片剛度得到很大提高,自重卻沒有增加。Vestas為V903.OMW機型配套的44m系列葉片主梁上使用了碳纖維,葉片自重只有6t,與V802MW,39m葉片自重一樣。美國和歐洲的研究報告指出,含有碳纖維的承載玻璃纖維層壓板對于MW級葉片是一個非常有效的選擇替代品。在E.C.公司資助的研究計劃[10]中指出,直徑為120m風輪葉片部分使用碳纖維可有效減少總體自重達38%,設計成本減少14%。但碳纖維價格昂貴,極大地限制其在風機葉片上的使用。現今碳纖維產業仍以發展輕質、良好結構和熱性質佳等附加值大的航空應用材料為主。但許多研究員卻大膽預言碳纖維的應用將會逐步增加。風能的成本效益將取決于碳纖維的使用方式,未來若要大量取代玻璃纖維,必需低價才具有競爭力。