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风电叶片需要用到哪些材料?逐个剖析

2021-04-21 16:133680
 很多人都知道玻纤和碳纤在风电领中应用很大,但是具体应用在哪里,可能会不太清楚,今天就说一说玻璃纤维、碳纤维、轻木、硬质泡沫(PU、PVC、PET和HPE等)在叶片和机舱罩中的应用。
  一、  先来看看市场份额
  在风电行业,玻纤主要被应用于制造风电叶片与机舱罩部分;碳纤维主要应用大尺寸的叶片和机舱罩;轻木主要用于叶片;硬质泡沫主要用于叶片和少部分用于机舱罩。在整架风机成本中,叶片占风机成本20%。
  目前已经成为规模大的风电市场。根据风能协会的统计,截至2019年底,风电累计装机容量为2.1亿千瓦,其中陆上风电累计装机2.04亿千瓦、海上风电累计装机593万千瓦,风电装机占全部发电装机的10.4%。
  随着2021 年陆上风电进入平价时代,未来风电需求的增长主要依赖于度电成本的下降,大容量、长叶片、高塔架是被认为是降低度电成本的主要手段。1GW 风电叶片需 1万吨玻纤用量,随着风机机型容量越来越大,风机叶片朝着大型化趋势演变,每兆瓦风电叶片所需玻纤、碳纤以及芯材用量增加。
  二、增强材料和夹芯材料在风电行业的具体应用
  增强材料和夹芯材料在风电行业的应用,主要体现在叶片、机舱罩和轮毂罩上。
  1、 叶片的材料主要成分:
叶
  图3.叶片内部结构图
  (1)外壳:风机叶片的两个半壳,通常具有较复杂的空气动力学造型。
  蒙皮主要采用玻璃纤维(单轴向和双轴缝编织物)增强环氧树脂,提供气动外形并承担大部分剪切载荷。后缘空腔较宽,采用夹芯结构(芯材有轻木和硬质泡沫),提高其抗失稳能力。主梁主要为单向复合材料层增强(大尺寸的叶片基本上都是采用碳纤维增强环氧树脂),是叶片的主要承载结构。
  (2)腹板:又叫内部梁,玻璃纤维(或少部分使用碳纤)+夹芯材料增强环氧树脂制备而成的夹芯结构,主要用于支撑叶片外壳,并承担叶片所受到的弯曲载荷,腹板常采用工字梁结构以减轻重量。
  (3)梁帽:用于连接腹板和叶片外壳,主要使用到玻璃纤维布和碳纤维布。
  (4)挡雨环:安装于叶根处,用于防止雨水流入风机
  (5)人孔盖:用于连接叶片与风机主轴
  (6)避雷系统:由于风机较为高大且处于空旷地带,而雷击也是造成风机损坏的一大原因,因此避雷对于风机非常重要。
  2、机舱罩的材料主要成分
  机舱罩内放置风电机器设备,主要保护驱动部件不至于暴露于外部气候条件,减低气动声辐射,提供予维护人员维修期间安全保障。
  机舱罩主要使用玻璃纤维布(双轴向,夹芯缝编毡)和硬质泡沫,有些大型的机舱罩也使用碳纤维双轴织物,树脂主要是不饱和聚酯树脂。
  3、轮毂罩的材料主要成分
  轮毂罩,指风机轮毂的外保护罩。由于在风机迎风状态下,气流会依照导流罩的流线型均匀分流,故称导流罩。也称为轮毂罩、轮毂帽等。
  轮毂罩的结构一般分为整体型导流罩、分体型导流罩两大类。常见的分体型导流罩是由3个1/3罩体部件和一个罩头部件用机械连接的方法拼合而成。
  国内的导流罩主要是玻璃钢导流罩,主要采用玻璃纤维缝编织物和毡,采用不饱和聚酯树脂,采用真空导入模塑(VARTM)、LightRTM、手糊成型的方法成型制造。
  三、玻纤、碳纤以及芯材在风电行业的前景
  政策是我国风电产业发展的驱动力,同时也是导致市场供需关系变化的根本原因。
  2020年12月,主席习近平在气候雄心峰会上提到:到 2030年,单位国内生产总值二氧化碳排放将比 2005年下降 65%以上,非化石能源占一次能源消费比重将达到 25%左右,森林蓄积量将比 2005年增加 60亿立方米,风电、太阳能发电总装机容量将达到 12亿千瓦以上。
  2019年 5月,发改委下发《关于完善风电上网电价政策的通知》,再次调低风电上网电价,并次明确陆上风电平价,2020年底以后陆上风电补贴取消。2019-2020 年风机设备抢装进入高潮,预计 2020年新增风电装机同比增长 20%以上。
  风电用玻纤纱、碳纤以及轻木和硬质泡沫需求都因此紧俏,自 2019 年底,玻纤企业纷纷对产品结构进行调整,加大对风电用玻纤纱的生产.
  2021年底以后海上风电补贴将取消,海上风机设备也将进入抢装高峰期。由于 2020年疫情影响,部分风电项目建成时间延迟,预计 2021年风电行业高景气度将会持续,但是不会像2020年那样急速,风机装机量将会慢慢趋于平缓。
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