碳纖維在風電葉片中的應用

marco0713

       1.風力發(fā)電技術的發(fā)展
    風電的價格和風機功率成反比，風機率越大，單位發(fā)電成本越低（表1）。隨著現(xiàn)代風電技術的發(fā)展與日趨成熟，風力發(fā)電機組的技術沿著增大單機容量、減輕單位千瓦重量、提高轉(zhuǎn)換效率的方向發(fā)展。上世紀80年代早期到中期，典型的風電機組單機容量僅20～60kw；從80年代末期到90年代初期，風電機組單機容量從100kw增加到達500kw；到90年代中期，典型的風電機組單機容量為750-1MW；到90年代末，風電機組單機容量已經(jīng)達到2.5MW；目前已達3.5MW以上，世界平均單機容量為1Mw，最大單機容量為5Mw。預計2010年將開發(fā)出10MW的風電機組。
                 
    葉片是風力機的關鍵部件之一，涉及氣動、復合材料結構、工藝等領域。葉片的長度和風機的功率成正比，風機功率越大，葉片越長。對于500kw-2.5MW的風力機，葉片長13.5－39米（丹麥LM Glasfiber公司制造）；660kw-1.65MW的風力機，葉片長23－39米（丹麥 Vestas Wind SystemsAS制造）。在兆瓦級風電機組中，如1MW的葉片長31米，每片重約4-5t；1.5MW 主力機型風力機葉片長34～37m，  每片重約6t；目前商業(yè)化風力發(fā)電所用的電機容量一般為1.5—2.0MW，與之配套的復合材料葉片長度大約32—40米，重6-8t；現(xiàn)代的54m大型葉片重13t?，F(xiàn)今世界上最大5MW的風力發(fā)電機的葉片長61.5米，單片葉片的重量接近18 t，旋轉(zhuǎn)直徑可達126.3米。
    葉片也是風機中成本最高的部件，雖然它的重量不到風機重量的15％。Peter Jamieson認為風葉成本約占風電成本的10％。風葉類似于航空葉片，要求提高提升比（Lift－to－drag ratio），并且其提升特性不易受葉片表面污染和粗糙度影響。從結構考慮要求葉片有較厚的葉型。葉片要經(jīng)受20年應用，以受風力造成的疲勞次數(shù)達10（也有以500萬次作標準）。隨著風機功率的增加，風葉尺寸也相應增加。表1所示為不同年份風機功率、風葉尺寸和風電價格的變化趨勢。
    2.碳纖維在風力發(fā)電機葉片中的應用
    當葉片長度增加時，重量的增加要快于能量的提取，因為重量的增加和風葉長度的立方成正比（圖1），而風機產(chǎn)生的電能和風葉長度的平方成正比。同時隨著葉片長度的增加，對增強材料的強度和剛度等性能提出了新的要求，玻璃纖維在大型復合材料葉片制造中逐漸顯現(xiàn)出性能方面的不足。為了保證在極端風載下葉尖不碰塔架，葉片必須具有足夠的剛度。減輕葉片的重量，又要滿足強度與剛度要求，有效的辦法是采用碳纖維增強。國外專家認為，由于現(xiàn)有材料性不能很好滿足大功率風力發(fā)電裝置的需求，玻璃纖維復合材料性能已經(jīng)趨于極限，因此，在發(fā)展更大功率風力發(fā)電裝置和更長轉(zhuǎn)于葉片時，采用懺能更好的碳纖維復合材料是勢在必行。根據(jù)國外有關資料報道，當風力機超過3MW、葉片長度超過40米時，在葉片制造時采用碳纖維已成為必要的選擇。事實上，當葉片超過一定尺寸后，碳纖維葉片反而比玻纖葉片便宜，因為材料用量、勞動力、運輸和安裝成本等都下降了。

                  


    國外碳纖維用于葉片制造的廠家主要有：
    ＊ 丹麥LM Glassfiber“未來”葉片家族中61.5米長、5MW風機的葉片在梁和端部都選用了碳纖維；
    ＊ 德國葉片制造商Nordex Rotor新制造的56米長，5MW風機葉片的整個梁結構也采用了碳纖維，他們認為葉片超過一定尺寸后，碳纖維葉片的制作成本并不比玻纖的高；
    ＊ Vestas Wind System 在他們制造的44米長、V-90 3.0 MW風電機中的葉片的梁采用了碳纖維。2004年12月Zoltek Companies Inc．宣布與Vestas wind Systems AS公司訂立長期戰(zhàn)略合同，在前三年提供價值8千萬到1億美元的碳纖維用于制造風機葉片；Zoltek Companies Inc在股東大會上宣布對NEG Micon的碳纖維合同將從每年150噸增加一倍。同時每年分別向Vestas和Ganesa各提供1000噸，所用牌號為Panex33 48K；
    ＊ 西班牙Gamesa在他們旋轉(zhuǎn)直徑為87米（G87）和90米（G90）2MW的風機的葉片中采用了碳纖維／環(huán)氧樹脂預浸料，G90葉片長44米，質(zhì)量約7t。
    ＊ NEG Micon在40米的葉片中采用了碳纖維增
    ＊ 德國Enercon GmbH在他們的大型葉片的制造中也使用了碳纖維。
    華盛頓的Kirkland公司收到美國能源部（U.S.Department of Energy ）的75萬美元，作為研發(fā)資金，和TPI Composites公司合作，發(fā)展碳纖維風機葉片，以求得最大的能量獲得，同時減輕風機的負載。方案通過對30-35m長葉片的設計，制造和測試以證明先進的碳纖維混編設計的商業(yè)可能性。碳纖維在風葉中的應用逐年在增加（圖2）

                     
    3.碳纖維在風力發(fā)電機葉片中應用的主要部位
    由于碳纖維比玻纖昂貴，采用百分之百的碳纖維制造葉片從成本上來說是不合算的。目前國外碳纖維主要是和玻纖混和使用，碳纖維只是用到一些關鍵的部分。碳纖維在葉片中應用的主要部位有（圖3和圖4）：
    ＊ 橫梁（Spar），尤其是橫梁蓋（Spar Caps）。
    ＊ 前后邊緣，除了提高剛度和降低質(zhì)量外，還起到避免雷擊對葉片造成的損傷（專利 US6457943BI），如圖3中涂黑的部分采用碳纖維。（專利 EP1485611）
    ＊ 葉片的表面，采用具有高強度特性的碳纖維片材（日本專利JP2003214322）。

                       

    4.碳纖維在風力發(fā)電機葉片中應用的優(yōu)勢
    碳纖維的應用優(yōu)勢：
    （1）提高葉片剛度，減輕葉片重量
    碳纖維的密度比玻璃纖維小約30％，強度大40％，尤其是模量高3至8倍。大型葉片采用碳纖維增強可充分發(fā)揮其高彈輕質(zhì)的優(yōu)點。荷蘭戴爾弗理工大學研究表明，一個旋轉(zhuǎn)直徑為120米的風機的葉片，由于梁的質(zhì)量超過葉片總質(zhì)量的一半，梁結構采用碳纖維，和采用全玻纖的相比，重量可減輕40％左右；碳纖維復合材料葉片剛度是玻璃纖維復合材料葉片的兩倍。據(jù)分析，采用碳／?；祀s增強方案，葉片可減重20～30％Vesta Wind System公司的V90 3 Mw發(fā)電機的葉片長44m，采用碳纖維代替玻璃纖維的構件，葉片質(zhì)量與該公司V80 2 MW 發(fā)電機且為39米長的葉片質(zhì)量相同。同樣是34m長的葉片，采用玻璃纖維增強聚脂樹脂時質(zhì)量5800kg，采用玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂時質(zhì)量5200kg，而采用碳纖維增強環(huán)氧樹脂時質(zhì)量只有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纖維所制得的風機葉片質(zhì)量比玻璃纖維的輕約32％，而且成本下降約16％。表2所示為玻纖和碳纖及復合材料性能比較。圖5為完全碳纖維葉片和目前歐洲商業(yè)化的葉片重量比較。
                 

   （2）提高葉片抗疲勞性能
    風機總是處在條件惡劣的環(huán)境中，并且24小時的處于工作狀態(tài)。這就使材料易于受到損害。相關研究表明，碳纖維合成材料具有出眾的抗疲勞特性，當與樹脂材料混合時，則成為了風力機適應惡劣氣候條件的最佳材料之一。
   （3）使風機的輸出功率更平滑更均衡，提高風能利用效率
    使用碳纖維后，葉片重量的降低和剛度的增加改善了葉片的空氣動力學性能，減少對塔和輪軸的負載，從而使風機的輸出功率更平滑和更均衡，提高能量效率。同時，碳纖維葉片更薄，外形設計更有效，葉片更細長，也提高了能量的輸出效率。
   （4）可制造低風速葉片
   碳纖維的應用可以減少負載和增加葉片長度，從而制造適合于低風速地區(qū)的大直徑風葉，使風能成本下降。
   （5）可制造自適應葉片
    葉片裝在發(fā)電機的輪輪上，葉片的角度可調(diào)。目前主動型調(diào)節(jié)風機（active utility－size wind turhines）的設計風速為13 to 15m／sec（29 to 33mph），當風速超過時，則調(diào)節(jié)風葉斜度來分散超過的風力，防止對風機的損害。斜度控制系統(tǒng)對逐步改變的風速是有效的。但對狂風的反應太慢了，自適應的各向異性葉片可幫助斜度控用系統(tǒng)（the pitch control system），在突然的、瞬間的和局部的風速改變時保持電流的穩(wěn)定。自適應葉片充分利用了纖維增強材料的特性，能產(chǎn)生非對稱性和各向異性的材料，采用彎曲／扭曲葉片設計，使葉片在強風中旋轉(zhuǎn)時可減少瞬時負載。美國Sandia National Laboratories致力于自適應葉片（“adzptive”blade）研究，使1.5W風能從每kwh5美分降到4.9分，價格可和燃料發(fā)電相比。




    （6） 利用導電性能避免雷達擊
    利用碳纖維的導電性能，通過特殊的結構設計，可有效地避免雷擊對葉片造成的損傷。
    （7） 降低風力機葉片的制造和運輸成本
    由于減少了材料的應用，所以纖維和樹脂的應用都減少了，葉片變得輕巧，制造和運輸成本都會下降?？煽s小工廠的規(guī)模和運輸設備。
    （8）具有振動阻尼特性。碳纖維的振動阻尼特性可避免葉片自然頻率與塔暫短頻率間發(fā)生任何共振的可能性。
    5.碳纖維應用的主要問題和解決途徑
     碳纖維應用的缺陷：
    （1）碳纖維是一種昂貴纖維材料，在碳纖維應用過程中，價格是主要障礙，另外，性價比影響了它在風力發(fā)電上的大范圍應用。必須當葉
片超過一定尺寸后，因為材料用量下降，才能比玻纖葉片便宜。目前采用碳纖維和玻璃纖維共混結構是一種比較好的辦法，而且還綜合了兩種材料的性能。另外一種方法是采用從瀝青制造的成本較低的碳纖維，這種碳纖維的價格可以降到5美元/lb 的心理價位。
    （2）CFRP比GFRP更具脆性，一般被認為更趨于疲勞，但是研究表明，只要注意生產(chǎn)質(zhì)量的控制以及材料和結構的幾何條件，就可足以保證長期的耐疲勞。
    （3）直徑較小的碳纖維表面積較大，復合材料成型加工浸潤比較困難。由于碳纖維叫、片一般采川環(huán)氧樹脂制造，要通過降低環(huán)氧樹脂制造的熟度而不降低它的力學性能是比較困難的，這也是一些廠家采用預浸料工藝的原因。此外碳纖維復合材料的性能受工藝眼影響敏感（如鋪層方向），對工藝要求較高。
    （4）碳纖維復合材料透明性差，難以進行內(nèi)部檢查。
    但碳纖維在大型葉片中的應用已成為一種不可改變的趨勢。目前，全球各大葉片制造商正在從原材料、工藝技術、質(zhì)量控制等各方面進行深入研究，以求降低成本，使碳纖維能在風力發(fā)電上得到更多的應用。
    可通過如下的途徑來促進碳纖維在風力發(fā)電中的應用：
    （1）葉片尺寸越大，相對成本越低。因此對于3MW（40m）以上，尤其是5MW以上的產(chǎn)品。目前大規(guī)模安裝的2.5-3.5MW機組采用了輕質(zhì)、高性能的玻璃纖維葉片，設計可靠，市場競爭力強，下一代5-10MW風力機的設計將更多的采用碳纖維。
    （2）采用特殊的織物混編技術。根據(jù)葉片結構要求，把碳纖維鋪設在剛度和強度要求最高的方向，達到結構的最優(yōu)化設計。如TPI公司采用碳纖維織物為800g 三軸 向織物（triaxial fabric），由一層500g0°T－600碳纖維夾在兩層150g成土45°的玻纖織物內(nèi)。對于原型葉片中，碳纖維成20°，玻纖層的三軸向織物為土65°and-25°，這種方向的鋪層可充分地控制剪切負載。旋轉(zhuǎn)織物意味著織物邊沿和葉片方向成20°角，逐步地引入旋轉(zhuǎn)耦合部件（the twist-coupling component）。
    （3）采用大絲來碳纖維。碳纖好牛產(chǎn)成本高，特別是高性能的碳纖維生產(chǎn)成本生高，而葉片生產(chǎn)中，采用大絲束碳纖維可達到降低生產(chǎn)成本的目的。如一種新型丙烯酸碳纖維（美國專利 US6103211申請人：TORAY INDUSTRIES（JP）該發(fā)明的目的在于提供一種高強度的碳纖維，所述的碳纖維主要包括大量的滿足下列關系式的細纖維：sigma>/=11.1-0.75d，其中的sigma指碳纖維抗張強度，d指細纖維的平均直徑。這種碳纖維適用于風力機葉片材料等與能源相關的設備，或者作為道路、大橋的加強結構層。
    （4）采用新型成型加工技術，如VARTM和Light－RTM技術。
    在目前的生產(chǎn)中，須浸料和真空輔助樹脂傳遞模塑工藝已成為兩種最常用替代濕法鋪層技術；對于40m以上葉片，大多數(shù)制造商采用VARTM 技術。但VESTAS和GAMESA仍使用預浸料工藝。技術關鍵是控制樹脂粘度、流動性、注入孔設計和減少材料孔隙率。
    在大型葉片制造中，由于碳纖維的使用，聚酯樹脂已被環(huán)氧樹脂來替代；利用大然纖維-熱塑性樹脂制造的“綠色葉片”近年來也倍受
重視，如愛爾蘭的Gnth公司已負責制造12.6米長的熱塑性復合材料葉片，Mitsubishi（三菱）公司將負責在風力發(fā)電機上進行“綠色葉片的試
驗”。如果試驗成功后，他們將繼續(xù)研究開發(fā)30米以上的熱塑性復合材料標準葉片。
    為了降低模具成本，減輕模具重量，大型復合材料葉片的制造模具也逐漸由金屬模具向著復合材料模具轉(zhuǎn)變，這也意味著復合材料葉片可以做得更長。另外，由于模具與葉片采用了相同的材料，模具材料的熱膨脹系數(shù)與葉片材料基本相同，制造出的復合材料葉片的精度和尺寸穩(wěn)定性均優(yōu)于金屬模具制造的葉片產(chǎn)品。
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