風タービン ブレード材料の選択
ブレードは、風力タービンの重要なコンポーネントです。それはそれによって回転切りに磁力線の電気を生成するジェネレーターのロータへの風力エネルギーを送信します。刃材料の要件は、フィールドで非常に過酷な環境での長期的な安全な操作を確保するため: 1 の低密度と最適疲労強度と機械的性質、極端な条件、(嵐などランダムな負荷に耐えることができます。) (等) のテストにより、20 年以上の安全な操作2 (正確には各キロワットに割り当てられているコストとして記載) コストが低いです。3 刃の弾性、振動周波数特性と回転の慣性が普通で、全体に送信される発電所の負荷安定度は良いです。4 耐腐食性、耐紫外線 (UV) 性落雷抵抗が良いです。5 メンテナンス コストが低いです。
FRP は上記の要件を完全に満たすことができます、最高の風タービンのブレード素材です。
1.1GFRP
現在製造された大規模な商業ファン ・ ブレードのほとんどは、ガラス繊維強化プラスチック (GFRP) の作られています。GFRP 翼の特性は次のとおりです。
1 ファンの力によるとブレード、ファン ・ ブレードの剛性と強度は、主には縦方向の力、空力曲げ遠心力。空力曲げ荷重、遠心力よりも大きいと、せん断とねじりによるせん断応力が大きくないです。ガラス繊維 (GF) によって支配力の理論を使用して、ブレードを軽くできるように、刃の長手方向にメインの GF を配置できます。
2 翼やすい形状、することができます最高空力効果、ブレードの複雑な空力形状を達成するために最大の空力効率を達成するため、異なる翼弦の長さ、厚さ、ねじれ角と異なる半径の翼の設計金属製造など、風輪は非常に難しい。同時に GFRP ブレードを大量生産することができます。
3 使用時は 20 歳までが 108 以上に耐えることができます疲労交互負荷 GFRP が良い大きな内部減衰、低ノッチ感度高い疲労強度耐震性能。
4 良い耐食性 GFRP のため、酸、アルカリ、透湿抵抗、ファンは屋外に設置することができます。特に近年開発されているオフショア風力発電所に風力タービンとそのブレードは様々 な気候のテストを体験、海で風力タービンをインストールできます。
GFRP のパフォーマンスを改善するために GF も変更できます表面処理によるサイジングとコーティングします。コート E GF にラジオ周波数プラズマ蒸着法を使用し、引張・疲労性炭素繊維 (CF) のレベルを達することができる米国の調査は示した。
GFRP の特性の力は他の方向に力が比較的小さい間に GF の方向に大きな引張応力を耐えることができます。
ブレードは、スキンと主ビームで構成されています。皮膚を挟み、中間層である硬質発泡体またはバルサ材と上部および下の層が GFRP。最上位のレイヤーは、単方向層と ± 45 ° 層で構成されています。一方向の生地と一方向のフィジケラは、一般的には 7 一方向の層を置くことができるまたは遠心力と空気圧の曲げによって生じる軸応力に耐えるように 4GF 布成形プロセスを簡素化するために ± 45 ° GF 層を省略できます。1:1GF 布を使用すると、トルクによって主に引き起こされる剪断応力に耐えられるように軸方向に沿って敷設されたが、一般的に単方向層の外側に配置されます。梁の構造形式は、サンドイッチ構造体または固体 GFRP 構造にすることができます。ただし、主ビーム、スパー キャップは、皮膚と関節は GFRP の固体をある必要があります。これはビームの部分が肌と対話して、ストレスが大きく、皮膚の剛性と強度を確保する必要がありますので。
1.2CFRP
風力タービン翼の設計技術の向上、高出力と長いブレードの方向で風力発電を開発しています。刃の長さの増加は、刃の品質を向上させる傾向があります。10 から 60 m のブレードの長さに関する統計が示す長さの立方体によってブレード質量増加。ブレードの軽量化は重要な操作に影響を与える、生命およびエネルギー出力を疲労します。ブレードは、その重力のための交互になる負荷を生成すると、ブレード自体とユニットが疲れています。ブレードの軽量化は、ハブ、ナセル、塔のような構造物の品質を減らすことができます。
大規模なブレードの剛性は大きな問題です。極端な風荷重を受ける塔をブレードの先端が触れていないために、ブレードは十分な剛性を持つ必要があります。ブレードの品質が低下して剛性と強度要件を満たすためには、効果的な方法は、使用する炭素繊維強化プラスチック (CFRP) です。CFRP の引張弾性率は GFRP の 2、3 倍です。CF 強化に大きなブレードは高弾性の光をフルに活用できます重量。分析によると CF/GFRP ハイブリッド最適化手法は 20% によって葉の重量を減らすことができます ~ 40%。欧州 EC 会社によって資金を供給された研究計画に従って ¢ 120 m ブレードのローターを CF に追加は 38%、全体の品質を効果的に減らすし、デザイン コストを GF に比べ 14% も削減できます。別の同様の研究分析では、CF は GF と比較して約 32% 減の追加によって作られたファン ブレードの品質をことを指摘しました。
現在、世界の最も大きい CF/GFRP ハイブリッド ファン ブレードは洋上風力発電 5 mw の Nodex によって開発された 56 m の長さのブレード。Nodex はまた陸上の 2.5 mw の 43 m (9.6t) CF/GFRP ファン ・ ブレードを開発ユニット。Enercon は、CFRP 用 4.5 MW の風力タービンのブレードを開発しました。大規模なブレードの CF を強化するかどうかはまだ論争を呼びます。何人かの人々 では、風力エネルギー業界の CF 技術の導入が、「奇妙な」と、高価と可能であれば避けるべきであると考えています。しかし、多くの技術者は、自然のスケールのルールは、ブレードが増加の長さとして、質量がエネルギー抽出よりも速く増加する示しています確信しています。したがって、CF や CF/GF ハイブリッド繊維の使用は質量の増加を抑制する必要は。同時に風エネルギーのコストを削減するためにも必要だ十分な剛性と長いブレードを開発します。
ファンの羽根に大量に CFRP を使用する機能によって異なります cf. の価格が、CFRP のパフォーマンスは、GFRP よりブレードや全体の風力タービンは最も軽量、価格はまた最も高価。CF 価格 11 ドル/Kg になると、たとえ CFRP を使用したブレードの価格は高すぎるです。したがって、CFRP のコストを削減するために原材料、加工技術、品質管理、等からの深さで今学んでいます。
一般的に、ブレード (たとえば、長さ 22 m) の小さい型で大量の安価な E-GFRP、マトリックス樹脂、不飽和ポリエステルを主体し、ビニール ・ エステル樹脂やエポキシ樹脂も使用できます。(長い 42 m) など大きな羽根は通常 CFRP や GFRP、CF/を使用し、マトリックス樹脂は主に樹脂。
