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风机叶片涂装工艺的研究.doc
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1、风机叶片涂装工艺的研究中北大学2008届毕业论文风机叶片涂装工艺的研究摘要:风机叶片是风力发电系统的关键动部件,直接影响着整个系统的性能,约占总成本的15%20%。并要具有长期在户外自然环境条件下使用的耐候性。因此,叶片的制造质量水平十分重要。目前大型风力发电机的叶片基本上由各种复合材料制成,因此叶片技术与复合材料技术密切相关。一台风机的服役期限大约是20年,作为风机叶片的复合材料应该至少满足在此年限内的完好,而此在过程中玻璃钢叶片要经历紫外线的照射,大风,海水及含盐潮湿空气的侵蚀,以及沙石的击打。大型风机的叶片所在高度大多在50m以上,导致叶片的修补比较困难,成本比较高。为了解决上述问题人们
2、开发了表面涂装工艺使得风机叶片具有更强的抗疲劳性、抗冲击性、耐老化性、耐腐蚀性和耐热性等,这样可以大大的节约发电成本。本文对叶片涂装工艺,涂料系统及涂装环境进行了简单研究,拟出一最佳涂装工艺流程,以此增加叶片的使用寿命,节约维护成本。关键词:风机叶片,后期处理,涂装工艺。1 前言1.1 全球风能现状及风电发展 风能是一种清洁的永续能源,与传统能源相比,风力发电不依赖矿物能源,没有燃料价格风险,发电成本稳定,也没有包括碳排放等环境成本。风力发电是新能源中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景最好的发电方式之一。此外,可利用的风能在全球范围内分布都很广泛。全球的风能约为2.74109MW,其
3、中可利用的风能为2107MW,比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力,特别是对沿海岛屿,交通不便的边远山区,地广人稀的草原牧场,以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆,作为解决生产和生活能源的一种可靠途径,有着十分重要的意义。正是因为有这些独特的优势,风力发电逐渐成为许多国家可持续发展战略的重要组成部分,发展迅速1。 根据全球风能理事会的统计,全球的风力发电产业正以惊人的速度增长,过去10年平均年增长率达到28%,全球安装量达到了7400万KW,意味着每年在该领域的投资额达到了180亿欧元12。截至2007年底全球新增风电装机容量
4、超过2000020000MW,美国、西班牙和中国分别以新增5244MW、3522MW和3449MW位列世界新增装机容量前三强。到2007年底,全球风电装机总量达到94112MW,比2006年总装机容量增加27%23。2007年,全球风电资金中9%投向了中国,总额达16.2亿欧元,中国有望成为全球最大的风电市场。1.2 我国风能现状我国风能资源丰富,可开发利用的风能储量约10亿KW,其中,陆地上风能储量约2.53亿KW(陆地上离地10m高度资料计算),海上可开发和利用的风能储量约7.5亿KW,共计10亿KW。而2003年底全国电力装机约5.67亿KW34。1.2.1 三北(东北、华北、西北)地区
5、风能丰富带包括东北三省、河北、内蒙古、甘肃、青海、西藏和新疆等省/自治区近200km宽的地带,风功率密度在200300W/m2以上,有的可达500W/ m2以上,可开发利用的风能储量约2亿KW,约占全国可利用储量的79%。该地区风电场地形平坦,交通方便,没有破坏性风速,是我国连成一片的最大风能资源区,有利于大规模的开发风电场。但是,建设风电场时应注意低温和沙尘暴的影响,有的地方联网条件差,应与电网统筹规划发展5。 1.2.2东南沿海地区风能丰富带东南沿海受台湾海峡的影响,陆地局部风能丰富地区,每当冷空气南下到达海峡时,由于狭管效应使风速增大。冬春季的冷空气、夏秋的台风,都能影响到沿海及其岛屿,
6、是我国风能最佳丰富区。我国有海岸线约1800km,岛屿6000多个,这是风能大有开发利用前景的地区。 沿海及其岛屿风能丰富带,年有效风功率密度在200W/m2以上,风功率密度线平行于海岸线,沿海岛屿风功率密度在500W/m2以上,如台山、平潭、东山、南鹿、大陈、嵊泗、南澳、马祖、马公、东沙等,可利用小时数约在70008000小时。这一地区特别是东南沿海,由海岸向内陆是丘陵连绵,风能丰富地区仅在距海岸50km50之内。 1.2.3内陆局部风能丰富地区在两个风能丰富带之外,风功率密度一般在100W/m2以下,可利用小时数3000小时以下。但是在一些地区由于湖泊和特殊地形的影响,风能也较丰富,如鄱阳
7、湖附近较周围地区风能就大,湖南衡山、湖北的九宫山、河南的嵩山、山西的五台山、安徽的黄山、云南太华山等也较平地风能为大。 1.2.4海上风能丰富区我国海上风能资源丰富,10m高度可利用的风能资源约7亿多KW。海上风速高,很少有静风期,可以有效利用风电机组发电容量。海水表面粗糙度低,风速随高度的变化小,可以降低塔架高度。海上风的湍流强度低,没有复杂地形对气流的影响,可减少风电机组的疲劳载荷,延长使用寿命。一般估计海上风速比平原沿岸高20%,发电量增加70%,在陆上设计寿命20年的风电机组在海上可达25年到30年,且距离电力负荷中心很近。随着海上风电场技术的发展成熟,经济上可行,将来必然会成为重要的
8、可持续能源。图1.21 我国风能分布图我国海上风能资源丰富,10m高度可利用的风能资源约7亿多KW。海上风速高,很少有静风期,可以有效利用风电机组发电容量。海水表面粗糙度低,风速随高度的变化小,可以降低塔架高度。海上风的湍流强度低,没有复杂地形对气流的影响,可减少风电机组的疲劳载荷,延长使用寿命。一般估计海上风速比平原沿岸高20%,发电量增加70%,在陆上设计寿命20年的风电机组在海上可达25年到30年,且距离电力负荷中心很近。随着海上风电场技术的发展成熟,经济上可行,将来必然会成为重要的可持续能源。1.2 国内风电现状和规划1.3国内风电现状和规划 开发新能源是国家能源建设实施可持续发展战略
9、的需要,是促进能源结构调整、减少环境污染、推进技术进步的重要手段。风电以其丰富的资源、良好的环境效益和逐步降低的发电成本,将成为21世纪中国重要的电源。 中国政府将风力发电作为改善能源结构、应对气候变化和能源安全问题的主要替代能源技术之一,给予了有力的扶持。确定了2010年和2020年风电装机容量分别达到500万KW和3000万KW的目标,制定了风电设备国产化相关政策,并辅以“风电特许权招标”等措施,推动技术创新、市场培育和产业化发展。到2006年底,中国累计风电装机容量达到260万KW,过去10年的年平均增长速度达到46%;中国在风电装机容量的世界排名中,2004年居第10位,2007年跃居
10、第5位,并有望成为世界最大的风电市场64。 根据目前的发展势头,政府确定的2010年的发展目标有望于2008年提前完成。风电已经在节约能源,缓解中国电力供应紧张的形势、降低长期发电成本、减少能源利用造成的大气污染和温室气体减排等方面做出贡献,开始有所作为。1.3 风力发电装置及叶片研究 1.4 风力发电装置及叶片研究风力发电机组是由叶片、传动系统、发电机、储能设备、塔架及电器系统等组成的发电装置。要获得较大的风力发电功率,其关键在于要具有能轻快旋转的叶片。所以,风力发电机叶片(简称风机叶片)技术是风力发电机组的核心技术,叶片的翼型设计、结构形式,直接影响风力发电装置的性能和功率,是风力发电机中
11、最核心的部分。由于风机叶片的尺寸大、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57。 目前中国对风电机组中叶片的研制技术已经基本掌握,能批量生产1.5MW以下各系。具有代表性的有保定惠腾、中复连众、上海玻璃钢研究院等。另外国际知名的叶片制造商丹麦LM公司早在2002年就在天津设立了生产工厂,为国内外整机企业配套生产叶片;外资整机制造企业,如维斯塔斯、歌美飒和苏司兰公司,也都在国内设有自己的叶片生产厂。除上述叶片生产企业以外,国内正在进行叶片研发试制的企业还有多家,包括保定华翼、天津东汽、北京玻璃钢研究院等。但远远不能满足
12、国内叶片市场发展的需求,极大的依赖于进口6,78。因此,大力增加研究和开发技术上的投入,大力培养风电人才,突破风机叶片技术的瓶颈限制,大力开发风电能源,对于缓解我国将来的能源危机,具有战略意义。风机叶片材料的强度和刚度是决定风力发电机组性能优劣的关键。目前,风机叶片所用材料已由木质、帆布等发展为玻璃纤维增强复合材料(玻璃钢)、碳纤维增强复合材料等,其中新型玻璃钢叶片材料因为其重量轻、比强度高、可设计性强、价格比较便宜等因素,开始成为大中型风机叶片材料的主流89,10。1.5课题研究意义34 本课题的提出叶片涂装工艺现状1.34.1 问题的提出风力发电装置把自然界力量转化成我们可以使用的能量,它
13、们同时也必须能够承受得了这一巨大力量。特别是转子叶片。给它们最佳保护方能让装置发挥最高效率。这对制造来说意味着:涂料系统必须按照具体的生产工艺度身定制。只有这样叶片才能长期发挥其全部作用。风力发电机组在工作过程中,风机叶片要承受强风载荷、砂粒冲刷、紫外线照射、大气氧化与腐蚀等外界因素的作用。为了解决上述问题,提高复合材料叶片的承载能力、耐腐蚀和耐冲刷等性能,必须对复合材料风机叶片进行表面涂装。长期以来,国内大部分的玻璃钢叶片的表面防护主要采用喷漆或喷涂胶衣等简单的方法,质量较差,并需要经常维护。而风机叶片安装位置比较高,维护比较困难且维护成本很高,结合经济角度和实际应用角度来考虑,叶片的表面涂
14、装是最好的解决方案11。风电将在全球范围继续高速发展,国内国外风电市场巨大。中国的目标是累计装机容量在2010年达到500万KW,2020年达到3000万KW,这个目标将会提前实现,国内叶片市场将供不应求。按目前国内引进技术比较普遍的1.5MW叶片来计算,20072010年,需要叶片数为7000片左右,而20102020年之间,所需叶片数为50000片,国内叶片市场巨大129。而复合材料在风机叶片应用的发展给表面处理技术提供了广阔的应用前景。从经济角度分析,玻璃钢叶片表面涂装技术具有以下优势1130:1)目前由于技术、工艺等原因,玻璃钢叶片的表面不尽如人意。叶片仅由于表面的缺陷而成为不合格品,
15、且叶片的价格比较昂贵这样就造成了不必要的成本增加。运用叶片表面涂装技术,可以提高制品的表观质量,从而降低制品的废品率。2)。叶片表面涂装技术还可以提高助剂的利用率,如紫外线吸收剂、抗氧化剂等,因为这些助剂只需在表面层使用。3)试验研究表明,玻璃钢的老化一般都是从表面开始的,并且主要在0.7mm范围内。主要表现在表面起花、纤维外露。表面涂装技术可以增加叶片的使用寿命,节约维护成本。1.6课题研究内容1.34.12 涂装工艺简介通过对欧洲培训过程中的学习和现行涂装工艺在叶片上的应用实验综合成以下内容:叶片胶衣(有时胶衣是在叶片成型前就涂在阴模上)叶片表面打磨;刮涂叶片大缝腻子打磨大缝腻子喷涂底漆检
16、查小缺陷刮涂针孔腻子打磨底漆及针孔腻子喷涂面漆1.7 理论依据 表面涂装是指在玻璃钢制品叶片的成型过程中或成型后,使用各种不同的,具有高性能的或某种特定功能的材料对其表面进行修饰、保护或赋予新的功能,提高制品的质量与竞争力,扩大其应用范围的一种工艺方法。风力发电装置把自然界力量转化成我们可以使用的能量,它们同时也必须能够承受得了这一巨大力量。特别是转子叶片,给它们最佳保护方能让装置发挥最高效率。这对叶片制造来说意味着:涂装工艺必须经过认真研究和改进。只有这样叶片才能长期发挥其全部作用14。表面涂装是玻璃钢制品表面高质化和多能化的一种有效措施,并无须改变玻璃钢的制品配方、工艺条件。目前国内高质量
17、、低价格的表面涂装防护技术的开发较滞后。长期以来,国内大部分的玻璃钢表面防护主要采用喷漆或喷涂胶衣等简单的方法,质量较差,并需要经常维护。即使在某些重点工程中,采用贴合高性能的聚四氟乙烯薄膜技术,价格高且质量不能保证。因此,研发工艺简便,性能可靠的玻璃钢表面防护技术是目前较紧迫的一个课题11。正确选择涂料及相适应的涂装工艺是提高涂装性能的必要条件。现代涂料的研究已臻成熟,涂层附着力良好,耐候性及耐腐蚀性好。目前的发展方向是开发符合环保要求的高性能品种。高性能是指高装饰、重防腐、超耐久、功能化以及便于施工等。本文就是针对诸如叶片在特殊环境下的耐候性,抗紫外线,抗冲击性,抗腐蚀等方面进行研究和改进
18、。从而实现玻璃钢叶片良好的表面性能和其他功能,延长叶片的使用寿命,降低使用成本对于开拓玻璃钢在叶片领域的应用和充分发挥其优点具有重要意义。1.43.23 涂装工艺现状表面涂装是玻璃钢制品表面高质化和多能化的一种有效措施,并无须改变玻璃钢的制品配方、工艺条件。目前国内高质量、低价格的表面涂装防护技术的开发较滞后。长期以来,国内大部分的玻璃钢表面防护主要采用喷漆或喷涂胶衣等简单的方法,质量较差,并需要经常维护。即使在某些重点工程中,采用贴合高性能的聚四氟乙烯薄膜技术,价格高且质量不能保证。因此,研发工艺简便,性能可靠的玻璃钢表面防护技术是目前较紧迫的一个课题115。涂装工艺系统地应用在叶片上已有近
19、二十年的历史了。,今天基本所有的转子叶片都在各种涂层的保护下在各种风和气候状况下正常运转。风机叶片涂装工艺的长期研发和改进工作保证了这些涂料的功能可靠。这一成功的基础是国际实验室的研究成果以及从世界各地建造的风力发电装置上积累的丰富经验。正确选择涂料系统及相适应的涂装工艺是提高涂装性能的必要条件。现代涂料的研究已臻成熟,涂层附着力良好,耐候性及耐腐蚀性好。目前的发展方向是开发符合环保要求的高性能品种。高性能是指高装饰、重防腐、超耐久、功能化以及便于施工等16。1.4.3 涂装目的与意义1.4.3.1 涂装目的玻璃钢叶片喷涂的目的与金属、木材等其它底材涂装并无原则上的区别,都是满足玻璃钢叶片对保
20、护、装饰和特殊功能性的要求,达到延长使用寿命、美观、增加玻璃钢制品附加值的目的。但是与金属和木材底材涂装的不同之处在于,玻璃钢叶片基本不存在腐蚀问题,但同时出现了底材附着力差的问题。其次,玻璃钢叶片由于化学结构、加工方法和组成的多样性,又决定了其表面状态的多样性,这就增加了涂装中表面处理的难度。此外,由于风机叶片的大小各异,运行的风场条件不同,这样就给喷涂设计和涂料选择带来一定的困难。所以必须针对实际需要设计合理的工艺过程。产品开发的焦点明确对准设备的持久力。一台风电装置的停工时间越短,发电量也就越大。涂装后的叶片能够提高叶片的质量,使得风机能够在原有基础上更长时间地运行。涂装后的叶片特点:1
21、)极高的耐磨强度:表面保护层持久耐用;2)极高的弹性:把由于应力而导致裂缝的风险降低到最小;3)优异的紫外线稳定性:色调多年后保持不变;4)有益环境:它们满足挥发性有机物(VOC)指令;5)冷固化:节约能量及成本;6)防污作用:降低泥土沾污从而提高发电量;7)防冰作用:减少了表面结冰。1.4.3.2 涂装意义风力发电装置把自然界力量转化成我们可以使用的能量,它们同时也必须能够承受得了这一巨大力量。特别是转子叶片。给它们最佳保护方能让装置发挥最高效率。这对制造来说意味着:涂料系统必须按照具体的生产工艺度身定制。只有这样叶片才能长期发挥其全部作用。风力发电机组在工作过程中,风机叶片要承受强风载荷、
22、砂粒冲刷、紫外线照射、大气氧化与腐蚀等外界因素的作用。为了解决上述问题,提高复合材料叶片的承载能力、耐腐蚀和耐冲刷等性能,必须对复合材料风机叶片进行表面涂装。长期以来,国内大部分的玻璃钢叶片的表面防护主要采用喷漆或喷涂胶衣等简单的方法,质量较差,并需要经常维护。而风机叶片安装位置比较高,维护比较困难且维护成本很高,结合经济角度和实际应用角度来考虑,叶片的表面涂装是最好的解决方案11。风电将在全球范围继续高速发展,国内国外风电市场巨大。中国的目标是累计装机容量在2010年达到500万KW,2020年达到3000万KW,这个目标将会提前实现,国内叶片市场将供不应求。按目前国内引进技术比较普遍的1.
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