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四川超高分子量聚乙烯应用

四川全风向矿用超高分子量聚乙烯风力发电叶片

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详细说明

全风向UPE纤维风力发电机叶片
全风向超高分子量聚乙烯(缩写UPE)风力发电机叶片(以下文简称叶片),是世界风力发电机叶片领域的创新,巧妙精准的设计,结构合理的搭配,使风能的利用率达到最大化。随着传统能源、石油、煤炭的大量开采及不可再生资源的过度消耗、风力发电、以其独特的优越性、日益被人们所重视、现全球大力发展风电产业,风电市场的份额及各国政府的重视程度在不断的提高,改变叶片的传统设计,提高叶片的效率就会改变风电市场的份额,才能使风力发电事半功倍。让风能,水能,太阳能,生物质能等洁净能源,一起来改善服务于人类。
目前世界上使用最多的是三桨式叶片和涡轮式叶片,而其中三桨式叶片应用为最多。其缺点有以下几方面。
1. 阻风面积小(叶片面积总和不足旋转面积的25%)。且阻风面是斜坡,(不与风向垂直),风压结构系数小于1
2. 体积庞大。施工复杂。
3. 在风力的作用下,切割风向的运动,转速受限,风能利用率低。
4. 受风向的限制,即使有风向自动调节装置,反应滞后。
5. 叶片的制作受材料限制,且体积庞大。
经过多年的探索与实践,我公司推出的这款叶片,与传统的叶片(螺旋桨式叶片及涡轮叶片)相比、有以下几个特点:
1. 全风向。(无需风向调节装置、目前属世界领先技术,且属首创。)
2. 阻风面积大(叶片的阻风面积之和,占旋转面积40%以上)且阻风面与风向垂直,风压结构系数大于等于1
3. 叶片同长转矩最大化、且无负动(极小,可忽略不计)。可大幅降低叶片的长度,重量。
4. 叶片的制作材料系综合性能优异的超高分子量聚乙烯(UPE),其综合了超高强度、超高模量、耐老化、耐所有酸碱介质、耐低温-260℃、不粘性等显著性能。
5   风能利用率高。(较桨式叶片提高一倍以上)。
6   设计多处风洞孔,以增强助动力。
7   总体重量大幅降低。
8   独特的叶片材质使用寿命达50年。
9   转速控制智能化。
10 整体制造成本低,安装调整简单故障率低。
这款叶片,实现了真正意义上的全风向,无负动(小到可忽略不计),叶片同长转矩最大化及启动风速低等特点,符合空气动力学原理,并且重量大幅减少,从理论与实验结果可推算8-10米长叶片即可带动MW级风力发电机,极大地高效地利用风能,叶片长度大幅降低,变短,及转矩实现最大化,这在同行业中属世界首创。此叶片应用于大功率发电机中,且占地面积少,高度在10-30米之间,且可将2-3台并机使用,集中度高,便于管理与维护
 此叶片与现有的国内外所有的叶片结构都不同,从理论上说优于所有的叶片(目前公开的资料)从实验结果上看,效果极佳。
 风机叶片是风能技术进步的关键核心、良好的设计,优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素,我公司愿与风电行业的学者,专家,投资人士,共同发展中国的风电事业。
一、风电叶片材料获重点支持
    风电叶片材料国产化获重点支持,科技部斥资组织MW级风电叶片关键材料攻关。科技部“863”计划新材料领域办公室发布公告,设立MW级风力发电机组风轮叶片原材料国产化攻关项目,将通过风电叶片关键原材料的研制及工程化、叶片辅料原材料国产化的制备及应用技术研究、国产化原材料风轮叶片设计及制造技术开发,研究提出并形成相关行业标准和技术规范,保障我国风电产业健康、稳定和快速发展。科技部将给予1500万元经费支持。,未来3年内国家将重点支持高性能真空灌注环氧树脂体系的研发及工程化研究、高性能环氧结构胶黏剂的研发及规模化生产技术示范研究、高强高模纤维及其多轴向织物的研发及工程应用技术研究、高性能材料以及高性能多用途叶片保护涂层的研发及规模化生产技术研究,力争在关键技术上获得突破,推动MW级风轮叶片关键材料的国产化。
    项目的总体目标是研究开发高性能真空灌注环氧树脂、高性能环氧结构胶黏剂、高强高模E玻璃纤维(织物)、高性能泡沫夹芯材料以及风电叶片涂料等MW级风力发电机组风轮叶片制造所需关键材料,建成中试规模以上试验生产线,满足批量化生产需要,材料成本较国外同类产品降低15%以上;完成3套以上完全使用国产化关键结构材料MW级叶片试验件的制作,按照国际标准完成叶片型式试验,并在风场实际装机试运行考核2000小时,全面验证并评价国产关键结构材料的可靠性等综合经济技术指标;研究提出我国MW级风轮叶片关键结构材料相关行业标准和技术规范。科技部特别提出,为集合全国风电叶片材料领域的优势研发力量开展联合攻关,风电叶片材料国产化“863”项目须由企业牵头,与高等院校或科研院所等联合申请。风轮叶片是风力发电机组的关键核心部件,约占其总成本的20%左右,因此有效控制风轮叶片的制造成本是降低风力发电机组总造价的重要途径之一。目前,我国制造MW级风轮叶片所用的关键结构材料大部分依赖进口,高强纤维(织物)、高性能材料、叶片涂层是材料的关键,严重制约了我国风电叶片制造行业核心竞争力的提升。
二、风电叶片的现状
风轮叶片是风力发电机组的关键核心部件,约占其总成本的20%左右,因此有效控制风轮叶片的制造成本是降低风力发电机组总造价的重要途径之一。目前,中国制造MW 级风轮叶片所用的关键结构材料大部分依赖进口,严重制约了中国风电叶片制造行业核心竞争力的提升。
1 概述
叶片是整个风电系统中的基础、重要关键组成部分,是将风能转换为机械能的唯一媒介,要获得更大的风力发电功率必需具备能够轻快迅速旋转的叶片。风电系统中的叶片尺寸大、外形复杂,并且要求精度高、表面粗糙度低、强度和刚度高、质量分布均匀性好等,使得叶片技术成为制约风力发电大力发展的瓶颈。于叶片在恶劣的环境下并长期不断地运作,具有优良的结构设计、稳定的质量和高品质的性能是叶片保证机组正常稳定运行的决定因素。
为达到应对随机负荷和环境的考验,保证发动系统的稳定及降低风力发电成本,叶片技术在新材料的开发和使用,结构和形状设计的优化,叶片制造工艺的改进,叶片运输的便捷化,成本的降低以及抗疲劳性和稳定性的增强等各个领域进行提高和完善。
风轮叶片是风力发电机组的关键核心部件,约占其总成本的20%左右,因此有效控制风轮叶片的制造成本是降低风力发电机组总造价的重要途径之一。目前,中国制造MW 级风轮叶片所用的关键结构材料大部分依赖进口,严重制约了中国风电叶片制造行业核心竞争力的提升。
2 发展趋势
为改善风力发电的稳定性,提高机组的经济性,降低生产使用成本,叶片从材料,结构,形状及其他方面都顺应了叶片大型化和轻量化的方向发展。叶片长度从1980年的4.5m发展到今天的61.5m,容量从当初的55kW发展到今天的5MW。1970年的风力机叶片主要有钢材、铝材或木材制成,今天选择的材料以E-玻纤增强塑料(GFRP)居多,目前已开始采用碳纤维复合材料(CFRP)。叶片形状结构设计也形成了百花齐放的格局。
叶片技术的多元化发展使得它越来越能够满足风电整个行业领域的要求,对中国叶片专利的申请按照年度申请量进行统计,可以发现叶片技术的发展呈现逐年增长的趋势。
从20世纪80年代开始,各国开始对风能的开发利用工作逐渐重视,丹麦、西班牙等国家涌现了一批风电老牌企业,开展对风电产业的研究。总体来看,叶片技术专利的申请量在前期处于缓慢增长阶段,而在21世纪初期开始增长迅速,这与叶片技术作为风电整机的基础部件是密不可分的。叶片技术随着风电产业的出现、发展而变得越来越强大。叶片专利申请量的走势预示着叶片技术乃至整个风电产业的远大发展前景,各国各巨头企业的大量研发投入更是提供了诱人的利润发展空间。
目前国内外叶片大量采用复合材料制造,并向大型化、低成本、高性能、轻量化、多翼型、柔性化等方向发展。叶片复合材料的强度和刚度是决定风力发电机组性能优劣的关键;而叶片结构设计是要通过空气动力学分析,充分利用复合材料的性能,使大型叶片以最小的质量获得最大的扫风面积,从而使叶片具有更高的捕风能力;同时通过新的结构设计方案和提高材料的性能来降低叶片的质量也至关重要。为了保证发电机运行平稳和塔座安全,不仅要求叶片的质量轻,还需要叶片的质量分布必须均匀、外形尺寸精度控制准确、长期使用性能可靠;若要满足上述要求,需要有相应的成型工艺来保证。而在叶片设计、生产后需要对其性能进行检测才能投入大量生产和实际应用中去。
三、国内外风电叶片用创新材料纵览
近年来,复合材料制造商倾力研发更好的材料来满足风电市场的需求,关于风电材料的报道层出不穷,在风轮机尺寸日益增大的形势下,材料供应商们面临着明显的挑战,特别在转子叶片制造方面。文章将把近两年国内外企业推出的风电叶片用创新材料做简单的介绍。
1、国外企业
(1) 欧文斯科宁的WindStrand 玻璃纤维
美国欧文斯科宁公司的WindStrand增强材料是能使风轮机制造商优化系统设计,降低发电成本的突破性高性能纤维增强材料。与E玻璃纤维相比,它能使同样设计的叶片减轻重量17%,或使同样重量的叶片长度增加6%,从而提高发电量12%。而与碳/玻混杂叶片相比,它能节省制造成本20%。
20年来,欧文斯科宁的玻璃纤维无捻粗纱和织物受到各大风轮叶片制造商的欢迎。
(2) AGY的S-1 GlassTM无捻粗纱
美国AGY公司于2009年9月宣布它所研发的S-1 GlassTM新型高性能玻璃纤维无捻粗纱获得国际资深认证机构德国劳埃德(GL)为其用于风力发电机叶片的认证。此S-1玻璃纤维填补了E玻璃与S-2高强度玻璃之间的成本和性能空白,因此是制造风轮叶片主梁的理想材料。据称在同样树脂体系中,S-1玻璃纤维比E玻璃纤维拉伸强度高45%,拉伸模量高25%以上,藉此它可增加叶片长度或减轻叶片重量从而降低风轮机成本和发电成本。
(3) PPG的HYBON玻璃纤维无捻粗纱
 美国PPG工业公司于2010年1月11日宣布其用于风轮机叶片制造的HYBON玻璃纤维无捻粗纱产品获得GL认证。经认证的产品包括HYBON,2001、2002、2006和高性能2026无捻粗纱。据介绍,这些无捻粗纱可让风轮叶片制造商使用多种树脂(包括乙烯基酯树脂)制造高性能产品,特别是HYBON,2026无捻粗纱是专为大型叶片和海上风轮机而设计。认证结果表明,HYBON玻璃纤维产品超过了GL的标准,超过了目前风轮叶片的设计要求。PPG将继续致力满足和超过风能这一新兴行业的高要求。
(4) 佳斯迈威的086型玻璃纤维无捻粗纱
 2010年4月,美国佳斯迈威公司的086型无捻粗纱获得GL的风电应用认证(并适用于舰艇和工业用途)。因其良好的浸湿特性和在环氧树脂中优异的耐疲劳性能,此品牌无捻粗纱特别适用于树脂灌注工艺。
该公司为此品牌及076型无捻粗纱提出了一个新的标准,即提高了线密度(Tex)的稳定性,使织造商和风轮叶片制造商能够进一步优化工艺过程控制,织造商得以织造重量一致的织物,叶片制造商能够减少玻璃纤维和树脂的用量,以更低的系统总成本制造更轻的叶片。
(5) 巴斯夫新近研发了制造大叶片的环氧树脂体系
在风轮机尺寸日益增大的形势下,材料供应商们面临着明显的挑战,特别在转子叶片制造方面。目前,弹性更好的玻纤增强环氧复合材料正在取代传统的聚酯基复合材料,以获得转子跨度超过100m时所需的材料性能。为应对这一挑战,德国巴斯夫公司新近研发了制造大叶片的环氧树脂体系,并获得了GL认证。这些环氧体系能够减少固化时间从而大大缩短成型周期(约30%)。
 (6) 拜耳风电叶片用聚氨酯复合材料
拜耳集团旗下的美国拜耳材料科技公司获得美国能源部75万美元的拨款,正在探讨用碳纳米管增强聚氨酯复合材料来制造1.5MW以上的更大、更强、更轻的风轮叶片。
拜耳称这种用碳纳米管增强的聚氨酯体系可提高材料的比强度50%之多。该项目还将探索把低VOC(挥发性有机化合物)聚氨酯基材料作为低排放技术来减少碳足迹。
除了提供强度更高的复合材料结构外,聚氨酯基体系还使用生物基组分,并可省去后固化工序以降低能耗。
2、国内企业
(1) 巨石集团的E6高性能玻璃纤维
为了满足风电市场对风轮叶片增强材料的技术要求,中国巨石集团于2008年研制出具有独特成分的E6高性能玻璃纤维,于2009年正式推出。据称E6玻璃纤维与传统的E玻璃纤维相比,拉伸强度可提高15%,模量可提高10%。
398和386T两种直接无捻粗纱分别为环氧树脂和聚酯树脂而研制,它们均使用专门的硅烷基浸润剂,用来织造单向、双轴向或多轴向织物,具有优良的织造性能,可织成清洁和平整的织物,用于预浸料或树脂灌注成型。
(2) 重庆国际的ECT、TM高性能玻璃纤维
为应对风电市场对玻璃纤维更高拉伸强度、拉伸模量和耐疲劳性能的要求,中国重庆国际复合材料公司紧随国际步伐,开发了ECT系列玻璃纤维,又为应对更长叶片市场的需求,开发了TM系列玻璃纤维。据称此两种玻璃纤维全面进入我国兆瓦级风轮叶片市场,每月用于叶片市场的出货量达4,000,t,其中多轴向织物8,00,t,高性能叶片用纱3,000,t。
(3) 泰山玻纤的GMG玻璃纤维
中国泰山玻璃纤维公司于2009年正式推出GMG玻璃纤维,拟全面进入风电和高性能玻璃钢市场。
新的玻璃配方、表面处理技术和先进的生产工艺不仅优化了GMG纤维的内部结构,而且显著提高其表面性能。据报它与普通玻璃纤维相比,同条件下其拉伸强度提高22%,模量提高15%,耐酸性能提高50%,并具有很好的抗疲劳性能。
(4)中江的UPE高性能、高模量纤维
江苏中江聚合物有限公司于2010年推出超高分子量聚乙烯(简称UPE)纤维,进入风电市场,超高分子量聚乙烯(UPE)叶片先进的生产工艺和其自身的材料特性,完全满足MW风电的使用环境,其在拉伸强度、拉伸模量、耐酸碱、抗老化、抗冲击、不粘性等方面的优异性能是目前叶片所用材料无法相比的。

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