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風機葉片

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風機葉片,是風力發電機的核心部件之一,約占風機總成本的15%-20%,它設計的好壞將直接關係到風機的性能以及效益。[1][2]

1888年美國人Charles F. Brush建造了第一台用於發電的風機,其風機葉片採用平板設計,效率較低。1891年丹麥人Poul LaCour在設計風機葉片時,引入了空氣動力學概念,從而開創了風機葉片更為科學的設計方法。經過百年來的發展,風機葉片不論從結構、造型,還是製造材料都發生了極大的改變。隨着風機單機裝機容量的增加,風機葉片的直徑也不斷上升。據數據統計顯示,風機葉片直徑每增大6%,風能利用率可增加約12%[3]。現有的2百萬瓦(MW)風機葉片直徑可達80m。然而風機葉片直徑的增大也會帶來製造方面的困難,同時葉片的運輸安裝成本也將大大提升。

組成結構

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  • 外殼:風機葉片的兩個半殼,通常具有較複雜的空氣動力學造型。
  • 腹板:又叫內部梁,主要用於支撐葉片外殼,並承擔葉片所受到的彎曲載荷,腹板常採用工字梁結構以減輕重量。
  • 梁帽:用於連接腹板和葉片外殼
  • 擋雨環:安裝於葉根處,用於防止雨水流入風機
  • 人孔蓋:用於連接葉片與風機主軸
  • 避雷系統:由於風機較為高大且處於空曠地帶,而雷擊也是造成風機損壞的一大原因,因此避雷對於風機非常重要

製造材料

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風機葉片對材料要求很高,不僅需要具有較輕的重量,還需要具有較高的強度、抗腐蝕、耐疲勞性能,因此現在的風機廠商廣泛採用複合材料製造風機葉片,複合材料占整個風機葉片的比重甚至高達90%。葉片製造材料由最初的亞麻布蒙着木板發展至鋼材、鋁合金,而鈦合金也是十分良好的選擇,直至目前的複合材料。現在的風機廠商在製造風機葉片時,葉片外殼常採用玻璃纖維增強樹脂,葉尖、葉片主梁則採用強度更高的碳纖維,前緣、後緣以及剪切勒部位常採用夾層結構複合材料(即「三明治夾芯」材料)[4]

參考文獻

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  1. ^ 王世明,曹宇主編,海上風力發電技術,上海科學技術出版社,2020.05,第49頁
  2. ^ 錢愛玲,錢顯毅編著,風光發電技術,西安電子科技大學出版社,2015.06,第108頁
  3. ^ 謝校臻,王繼輝. 風機葉片設計製造發展趨勢. 玻璃鋼/複合材料增刊. 2008,pp.353-355。
  4. ^ 王學永. 風力發電機葉片設計及三維建模. 華北電力大學(保定), 2008