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头铁的风力发电机为什么离不开木头?

头铁的风力发电机为什么离不开木头?

  伴随着风电产业的崛起,风力发电机的高度由最初的二十多米迅速上升到了近两百米。距离地面越高,风速越大,这样一只“人造巨兽”自然就可以发出更多的电,但与此同时,它也要经受更强风力的考验。

  在绝大多数人的印象里,庞大机械体的外层往往被钢铁所包裹,例如坦克、战舰、飞船以及合金战甲等。不过,风力发电机可能有些特殊——它的身躯并非完全由坚固的金属构成。要想知道其中缘由,还得先从复合材料说起。

  由不同类型材料组成的复合材料可以实现1+1大于2的目标。昆虫和鸟类早就明白了这个道理,例如燕子巢穴的组成材料除了泥土,往往还夹杂有甘草、碎木片等。在日常活动中,远古时期的人类也逐渐认识到材料的互补效应。例如,古埃及人的金字塔就是由石灰、火山灰等作为粘合剂,混合砂石等作为砌料修建而成的。早在公元前2000年,我国便已经出现了使用混合草茎的粘土建造的土坯房。

  科学技术的发展拉开了利用现代复合材料的序幕。上世纪40年代,玻璃纤维和合成树脂实现了大量商品化生产,凭借其显著的性能优势,玻璃纤维增强材料(俗称玻璃钢)广泛应用于运载火箭外壳、汽车车身、飞机机翼等产品上。复合材料具有质量轻、强度高、韧度高、耐疲劳等优良的力学性能,这也使其成为了风电叶片材料的不二之选。

  由复合材料制造的航空飞机 (图片来源:Vetrotextextiles)

  风力发电机的叶片是前端核心部件。风电机组大型化的发展趋势促使着叶片尺寸不断攀升,为保证叶片的结构可靠性和安全性,研发轻量化叶片是最直接有效的方案。虽然远远看过去,叶片似乎就是一根细长的棍子。但事实上,它外表的曲面造型极其复杂,为了捕获更多的风能,它利用了与飞机机翼相似的空气动力学原理。

  在旋转过程中,叶片会持续受到气动力和自身重力的作用。在持续波动的载荷面前,金属材料往往容易因疲劳而“累坏”。这是因为,在受到反复变化的外力作用时,其机械强度会急剧下降。例如,当我们直接拉一根铁丝时,往往难以将其拉断,但反复弯折几次之后,就可以很容易地将其折断。这一特性也使金属难以满足叶片设计使用寿命的要求。虽然历史上也曾出现过铝合金材质的叶片,但很快便完全被纤维复合材料所替代。

  纤维复合材料一般以“三明治”层合板结构为主,在实现轻量化目标的同时,可以将结构性能发挥到极致。当前的大型风电叶片主要是以玻璃纤维(碳纤维)和环氧树脂为代表的增强材料、夹层中间的芯材以及粘接胶构成。虽然芯材的厚度大且位于层合板的中间位置,但与两侧的蒙皮纤维相比,它对结构力学性能提升的贡献却微乎其微,所涉及结构设计也相对简单。但芯材却可以极大程度上保证层合板的稳定性,在这个角度上,它又是不可或缺的。

  目前风电叶片最主要的芯材类型是轻木(Ochroma lagopus),又叫巴沙木(Balsa)。轻木的细胞直径大,细胞壁外堆积的物质相对较少。因此,木材的孔隙数量多且尺寸大。轻木烘干后只有水密度的十分之一,一个成年人可以轻松抬走10米长的树干。它是世界上密度最小的木材。绝大多数的树木每过一年,树干就会生长一个圆圈状的年轮,然而轻木却没有这个特征,将其锯断也无法得知它的年龄。

  轻木原产于南美洲的热带雨林,生长速度极快,在破土后的10-15年内迅速生长,最终可以长到近30米高。但轻木的强度欠佳,无法成为建筑的“栋梁之材”,也不是制造家具的理想材料。

  不过,“天生我材必有用”,轻木也是如此。实际生产过程中,人们通常会发挥轻木“轻”的优势。由于其材质均匀、不易变形且易于加工,常适合制作小型船舶、航模、冲浪板、浮标、乐器等产品。

  在上世纪的中国,轻木受到了全民的热烈追捧。例如,包治百病的“热水”离不开一个保温瓶,而轻木的导热系数较低,因此被制作成了热水瓶瓶塞,走进了千家万户。此外,有着“国球”之称的乒乓球运动也给轻木提供了一个“用武之地”——轻木是一些高性能乒乓球拍的原材料。

  那么,生产制造所需的轻木都从哪里来呢?目前,全球近95%的轻木都来源于南美的厄瓜多尔(在西班牙语中,厄瓜多尔含义为赤道),这是因为当地的湿热气候和土质为轻木提供了得天独厚的生长空间。

  当然,单一的产地来源也必定存在巨大的风险,也为此后的轻木危机埋下了伏笔。其实,早在一百多年前,菲律宾、印度尼西亚和南非等国就尝试引种轻木,形成了一定的规模。自1960年起,我国的广东、海南、云南的西双版纳等地也纷纷加入了栽培轻木的大军。但这些国家和地区的产量不足,并且质量参差不齐,难以撼动厄瓜多尔的绝对地位。

  早年间,轻木供大于求,利润有限,大批厄瓜多尔的民众改种其它作物。十多年前,当地人见证着全球风电产业“扶摇直上”的腾飞轨迹。“好风凭借力,送我上青云”,之前被冷落的轻木迅速成为了“香饽饽”,但不断增长的种植面积仍旧导致供不应求,一时间甚至出现了“洛阳纸贵”的现象。为了采购到充足的高品质轻木,材料代理商常年驻扎在厄瓜多尔。

  即便如此,全球多个大型叶片厂商仍旧处于缺乏原料供给的状态。产量的短缺与水涨船高的价格使得轻木市场变得畸形,在其运送过程中,还会出现坐地起价、“黄牛”倒卖、高价拦截等乱象,整个轻木市场的形势也愈加严峻。

  雪上加霜的是,全球蔓延的新冠疫情使南美轻木的交易更为混乱,进一步导致部分叶片制造企业举步维艰,处于无“芯”可用的困境。这对全球范围内的风电新增装机容量产生了极为不利的影响,严重制约了风电的产能。

  实际上,叶片制造商早已觉察到轻木供给的不稳定性,并积极寻求可替代的材料,但其它木材的密度均远大于轻木。迫于无奈,制造商只能将目光转向人造材料。

  在人为操作下,制造具有一定抗压能力的低密度材料并非难事。比如,由铝合金或纤维制造成的蜂窝芯材已经在航空航天领域得到了广泛应用。但风电叶片体积庞大,蜂窝芯材的价格并不亲民,因此,制造商们只能另辟蹊径。

  经过多方面的探索和尝试,材料学家发现,PVC(聚氯乙烯)、PET(涤纶树脂)等轻质材料具有一定的应用潜力,日常生活中常见的门窗、管道、矿泉水等塑料制品的主要成分就是PVC或PET,它们经过发泡处理后重量大幅减小,因此这类新型泡沫材料迅速赢得了小型无人机等产品制造商的青睐。

  但这类轻质发泡也存在明显的缺点,即泡沫中的细小空隙很容易被树脂填充,使得其性能低于同等质量的轻木。一番权衡利弊之后,叶片设计人员也只得选择妥协——在叶片结构承载力较小的叶尖至叶中区域,他们尝试采用这些泡沫材料替换轻木,在一定程度上降低了对轻木的依赖。

  既然蜂窝芯材与泡沫芯材各有千秋,为什么不考虑将它们融为一体呢?一家研发复合材料的德国公司SAERTEX似乎意识到了这一点。于是,他们迅速转变思路,在2016年推出了一款新型的芯材结构SAERfoam。

  这种芯材结构主体是PU(polyurethane,聚氨酯)泡沫,而中间采用的是3D打印技术的玻璃[]纤维。据称,这种芯材的结构性能要优于轻木,重量只有轻木的四分之一左右,并且成本低廉,是轻木最为理想的替代产品。相信在不久的将来,科研人员能够找到更好的材料替代方案,让风力发电机不再依赖轻木,为清洁能源的持续稳定供给做出贡献。


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