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激光在风电装置的应用
2020-10-09 10:24:37
摘要:经历了数十年经济快速发展,工业化进程加快,我国已成为全球第一能源消耗大国。

  经历了数十年经济快速发展,工业化进程加快,我国已成为全球第一能源消耗大国。以前我国的的能源结构大约60%以上依靠煤炭,不仅在生产、使用带来了严重的污染,还有煤矿安全事故时有发生。进入21世纪后,汽车使用量爆发性增长,我国又成为了第一石油进口大国。为了改变石化燃料为主的能源结构,我国大力投入新能源、清洁能源设施的建设。从LNG天然气、水力发电、光伏发电、核电,到风力发电、地热能、沼气能等,均有较大的发展。

  世界的风电资源主要集中在欧洲北海沿岸,如荷兰、丹麦等国较早开发了风电,荷兰的风车闻名世界;其次是在北美,集中在美国中西部高地;中亚的黑海周边地带;还有在东亚、西太平洋沿岸及岛屿一带。

  我国背靠亚欧大陆,面朝太平洋,拥有丰富的风力资源,内陆主要集中在新疆、甘肃、内蒙等地区,沿海主要集中在海南、广东、福建、浙江等东南省份。多年来政府非常重视风力发电的开发,中国是世界风能领域的领导者,拥有世界三分之一以上的风电装机容量,装机容量221GW,而排名第二的美国装机容量96.4GW。德国、印度、西班牙、英国等国家也是风电大国。

  我国风电:从西北到沿海

  习近平主席近日在联合国大会上的讲话中宣布:中国将提高“国家自主贡献”力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取于2060年前实现碳中和。因此,可以预见风力发电将仍然是我国未来新能源的重要选项。

  我国目前已建成全球最大的风力发展规模,占全球总量约三分之一。新疆、甘肃等拥有丰富风电资源的西部地区,就由于人口和工业较少,消纳不了这么多电。加上向东部输电设施不完善、成本增加,导致弃风限电的情况常常发生,最为严重是2012年,弃风率17%。西部陆地风电场的发展遇到了瓶颈。于是,风电场从西部陆地走向东部海上。

  中国海上风电目前总装机容量445万千瓦,市场规模超过1万亿元,是仅次于英国、德国的世界第三大海上风电国家。

  2018年广东省政府工作报告明确要求加快布局发展海上风电,以阳江市为主战场,建设世界级风电产业基地。阳江面朝南海,拥有海岸线长458.6公里,常年风力资源丰富。预计到2025年,阳江海域1000万千瓦海上风电装机将全部建成投产,总投资近2000亿元

  激光技术助力风电站装置

  海上风电装置建设于浅水中,长期受到海水腐蚀,对金属部件以及制造工艺提出了新的挑战。风电的整机、叶片、电机、塔筒、电梯、钢管桩及导管架、等关键装备部件大多数是大型金属构件,在这方面激光的金属加工将有不错的发挥空间,以激光切割、激光焊接、激光熔覆、表面处理,另外激光清洗、激光测量等也会有其作用。另外在港口机械、升降台、金属铸造等领域也能广泛用到激光技术。

  在这些金属零部件方面,如今已有明阳、金风、龙马等17个总投资近200亿元的风电装备制造企业落户阳江风电装备制造基地。明阳风机叶片,中水电四局塔筒、塔架,粤水电塔筒已投产,阳江风电装备基地也是珠江西岸先进装备制造产业带。

  涡轮机占海上风电最重要的组成部分,包括机舱、转子和塔架三大部分。损坏后更换成本很高,常常可以选择激光修复。

  激光熔覆是指以不同添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化,并快速凝固形成稀释率极低,与基体成冶金结合的表面涂层,显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法,从而达到表面改性或修复的目的,既满足了对材料表面特定性能的要求,又节约了大量的贵重元素。

  风电零件如主轴、转架等在维修过程中经常发现拉毛或磨损严重,如不进行维修无法继续使用。激光熔覆可以对行星轮内孔、主轴、行星架(球铁件)、高速轴等进行修复,极大提高了零件的二次利用率,减少了维修成本,并缩短了齿轮箱维修周期。

  美国曾提出利用激光3D打印技术制造风电叶片。美国能源部希望能够使用3D打印技术使当前的制造方法更有效率,进而实现成本节约。事实上,当前用来制造叶片的模具成本高达1000万美元,但是每个模具只能制造大约1000个叶片。更加麻烦的是,由于风能技术的发展速度很快,这些叶片常常会在到达其使用寿命之前就已经过时了,进一步推高了制造成本。

  Sandia国家实验室,甚至还曾经发明过增材制造技术——激光直接成型 (LENS),这是一种能够打印复杂金属部件的粉末3D打印工艺;还有Robocasting,这是一个通过加压针使陶瓷浆料注浆成型成为三维部件,然后在窑炉里烧制硬化。

  激光超声无损检测风电叶片

  风电叶片是风力发电机组的核心部件之一,一般由碳纤维或玻璃纤维增强复合材料制备而成。在生产、运输、吊装等过程中,有时候叶片难免出现孔隙、裂纹、分层、缺胶等缺陷,使用过程中的跟踪检测都显得十分重要。

  超声无损检测一直是使用频率较高的检测手段,所以超声回波检测、相控阵检测、空气耦合超声检测、电磁超声检测以及激光超声检测等为代表的非接触式超声无损检测技术则是研究的热点。

  对于激光超声无损检测技术,目前取得的成果已经很可观,并有诸多应用于复合材料无损检测的案例。

  现阶段,可以看出激光超声无损检测方法拥有非接触测量,时间空间分辨率高,灵敏度高,高效准确,能在线实时检测,适用叶片复合材料各种复杂结构和各种恶劣环境,相对于其他无损检测方式有大量独特的优势。

  虽然目前还存在这一些技术难题,包括成本、激光器改进、光声转换效率、以及智能化等问题,但技术人员对激光超声技术的探索从未停止,相信经过努力,这些难题终究会得到解决。(久恒光电)


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