碳纤维复合材料在风电叶片中的应用

碳纤维复合材料在风电叶片中的应用碳纤维复合材料在风电叶片中的应用 摘要碳纤维复合材料在风电叶片中的应用东华大学纺织学院罗永康 李炜胡红优利康达 天津 科技有限公司樊中力李旺为了降低风电单 位成本 风机功率不断提高 随之叶片长度也不断增加 使碳纤维 在风电叶片中的应用成为必然 本文介绍了碳纤维在风电叶片上应用的优势和不足 以及解决的技 术途径 关键词碳纤维 风电叶片 风电 碳纤维增强复合材料 1 风力发电技术的发展风电的价格和风机功率成反比 风机功率越 大 单位发电成本越低 表1 随着现代风电技术的发展与日趋成熟 风力发电机组的技术沿着增 大单机容量 减轻单位千瓦重量 提高转换效率的方向发展 上世纪80年代早期到中期 典型的风电机组单机容量仅20 60kW 到90年代初期 增加到500kW 到90年代中期 为750kW 1MW 到90 年代末 己达到2 5MW 目前世界平均单机容量为1Mw 最大单机容 量为5MW 预计xx年将开发出l OMW的风电机组 表1风叶尺寸 风机功率和风电价格年份主力型号风机功率 KW 风叶 长度 m 风电成本 USD黼 1992xx20 31999700222000900250 06xx1 500 2500 陆基 35 45O 04xx3000 5000 海基 45 61 5叶片是 风力机的关键部件之一 涉及气动 复合材料结构 工艺等领域 叶片的长度和风机的功率成正比 风机功率越大 叶片越长 对于500l W一2 5MW的风力机 叶片长13 5 39米 丹麦LM Glas助er公司制造 660kW一1 65Mw的风力机 叶片长23 39米 丹麦Vestas Wi nd SystemsAS制造 在兆瓦级风电机组中 如l MW的叶片长31m 每片重约4 5t 1 5Mw主力机型风力机叶片长34 37m 每片重约6t 目前商业化风力发电所用的电机容量一般为1 5 2 0MW 与之配套的复合材料叶片长度大约32刊0米 重6 8t 现 代的54m大型叶片重13t 现今世界上最大5MW的风力发电机的叶片长61 5米 单片叶片的重 量接近18t 旋转直径可达126 3米 叶片也是风机中成本最高的部件 虽然它的重量不到风机重量的15 却占风机成本的15 20 风叶类似于航空叶片 要求提高 提升比 Li R to drag ratio 并且其提升特性不易受叶片表面污染和粗糙度影响 从结构考虑要求叶片有较厚的叶型 叶片要经受20年应用 以经受风力造成的疲劳次数达108 也有以500 万次作标准 随着风机功率的增加 风叶尺寸也相应增加 表1所示为不同年份风机功率 风叶尺寸和风电价格的变化趋势 2 碳纤维在风力发电机叶片中的应用当叶片长度增加时 重量的增 加要快于能量的提取 因为重量的增加和风叶长度的立方成正比 图 1 而风机产生的电能和风叶长度的平方成正比 同时随着叶片长度的增加 对增强材料的强度和刚度等性能提出了 新的要求 玻璃纤维在大型复合材料叶片制造中逐渐显现出性能方 面的不足 为了保证在极端风载下叶尖不碰塔架 叶片必须具有足够的刚度 减轻叶片的重量 又要满足强度与刚度要求 有效的办法是采用碳 纤维增强 国外专家认为 由于现有材料性不能很好满足大功率风力发电装置 的需求 玻璃纤维复合材料性能已经趋于极限 因此 在发展更大 功率风力发电装置和更长转子叶片时 采用性能更好的碳纤维复合 材料是势在必行 他们认为当风力机超过3MW 叶片长度超过40米时 在叶片制造时采 用碳纤维已成为必要的选择 事实上 当叶片超过一定尺寸后 碳纤维叶片反而比玻纤叶片便宜 因为材料用量 劳动力 运输和安装成本等都下降了 图1商业叶片重量与旋转半径之间的变化趋势目前国外把碳纤维用于 叶片制造的厂家主要有 丹麦LM Glass舶er 未来 叶片家族中61 5米长 5MW风机的叶片在梁和根 部都选用了碳纤维 德国叶片制造商Nordex RDtor新制造的56米长 5MW风机叶片的整个梁结构也采用了碳纤维 他们认为叶片超过一定尺寸后 碳纤维叶片的制作成本并不比玻 纤的高 Vestas wind system在他们制造的44米长 V 903 oMw风电机中的叶片的梁采用了碳纤维 xx年12月Zol tekCoInpani es111c 宣布与Vestas wind SystemsAS公司订立长期战略合同 在前三年提供价值8千万到1亿美 元的碳纤维用于制造风机叶片 Zol tI出CoInpani esIIl c在股东大会上宣布对NEG Micon的碳纤维合同将从每年150吨增加一倍 同时每年分别向vestas和Gamesa各提供1000吨 所用牌号为Panex33 48K 西班牙G锄esa在他们旋转直径为87米 G87 和90米 G90 2Mw 的风机的叶片中采用了碳纤维 环氧树脂预浸料 NEG Micon在40米的叶片中采用了碳纤维增强环氧树脂 德国Enercon GmbH在他们的大型叶片的制造中也使用了碳纤维 华盛顿的 rl dand公司和TPI Composi tes公司合作 发展碳纤维风机叶片 以求得最大的能量获得 同时 减轻风机的负载 方案通过对30 35m长叶片的设计 制造和测试证明先进韵碳纤维混 编设计叶片的商业化可行性 碳纤维在风叶中的应用在逐年增加 图2 一Demand Forec娼t o j j z j j j jj 羹 i薯 ji j 鐾鬻 嚣 毫毒 t 下 i二i j j爱 20叼 xx 12 3一 i 20哆 2 5图2碳纤维在风叶中的用量3 碳纤维在风力发电机叶片中应用 的主要部位由于碳纤维比玻纤昂贵 采用百分之百的碳纤维制造叶 片从成本上来说是不合算的 目前国外碳纤维主要是和玻纤混和使用 碳纤维只是用到一些关键 的部分 碳纤维在叶片中应用的主要部位有 图3 横梁 Spar 尤其是横梁 盖 Spar C印s 前后边缘 除了提高刚度和降低质量外 还起到避免雷击对叶片 造成的损伤 专利US645794381 如图3中涂黑的部分采用碳纤维 专利EPl485611 叶片的表面 采用具有高强度特性的碳纤维片材 日本专利口xx214322 图3碳纤维用于叶片前后边缘和横梁盖制造4 碳纤维在风力发电机 叶片中应用的优势 1 提高叶片刚度 减轻叶片重量碳纤维的密度比玻璃纤维小约30 强度大40 尤其是模量高3至8倍 大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点 荷兰戴尔弗理工大学研究表明 一个旋转直径为120米的风机的叶片 由于梁的质量超过叶片总质量的一半 梁结构采用碳纤维 和采 用全玻纤的相比 重量可减轻40 左右 碳纤维复合材料叶片刚度 是玻璃纤维复合材料叶片的两倍 据分析 采用碳纤维 玻璃纤维混杂增强方案 叶片可减重20 30 vesta WiIl dSystem公司的V903Mw发电机的叶片长44m 采用碳纤维代替玻璃纤 维的构件 叶片质量与该公司V802Mw发电机且为39米长的叶片质量 相同 同样是34m长的叶片 采用玻璃纤维增强聚脂树脂时质量5800埏 采 用玻璃纤维增强环氧树脂时质量5200埏 而采用碳纤维增强环氧树 脂时质量只有3800埏 其他的研究也表明 添加碳纤维所制得的风机叶片质量比玻璃纤维 的轻约32 而且成本下降约16 表2所示为玻纤和碳纤及复合材料性能比较 图4为完全碳纤维叶片和目前欧洲商业化的叶片重量比较 图4完全碳纤维叶片和目前欧洲商业化的叶片重量比较 2 提高叶片抗疲劳性能风机总是处在条件恶劣的环境中 并且24小 时的处于工作状态 这就使材料易于受到损害 相关研究表明 碳纤维合成材料具有出众的抗疲劳特性 当与树脂 材料混合时 则成为了风力机适应恶劣气候条件的最佳材料之一 3 使风机的输出功率更平滑更均衡 提高风能利用效率使用碳纤维 后 叶片重量的降低和刚度的增加改善了叶片的空气动力学性能 减少对塔和轮轴的负载 从而使风机的输出功率更平滑和更均衡 提高能量效率 同时 碳纤维叶片更薄 外形设计更有效 叶片更细长 也提高了 能量的输出效率 4 可制造低风速叶片碳纤维的应用可以减少负载和增加叶片长度 从而制造适合于低风速地区的大直径风叶 使风能成本下降 5 可制造自适应叶片 sel f二ad印ti ve bl ade 叶片装在发电机的轮釉上 叶片的角度可调 目前主动型调节风机 acti veuti l毋 si zewind蛐ineS 的设计风速为13to15n以ec 29l o33mph 当风速超过时 则调节风叶斜度来分散超过的风力 防止 对风机的损害 斜度控制系统对逐步改变的风速是有效的 但对狂风的反应太慢了 自适应的各向异性叶片可帮助斜度控制系 统 the pitch con缸 0lsvstem 在突然的 瞬间的和局部的风速改变时保持电 流的稳定 自适应叶片充分利用了纤维增强材料的特性 能产生非对称性和各 向异性的材料 采用弯曲 扭曲叶片设计 使叶片在强风中旋转时 可减少瞬时负载 美国Sandi aNati onalLaboratori es致力于自适应叶片研究 使1 5MW风机的发电成本降到每kwh4 9 美分 价格可和燃料发电相比 伤 6 利用导电性能避免雷击利用碳纤维的导电性能 通过特殊的结构 设计 可有效地避免雷击对叶片造成的损 7 降低风力机叶片的制造和运输成本由于减少了材料的应用 所以 纤维和树脂的应用都减少了 叶片变得轻巧 制造和运输成本都会 下降 可缩小工厂的规模和运输设备 8 其有振动阻尼特性 碳纤维的振动阻尼特性可避免叶片自然频率与塔暂短频率间发生任 何共振的可能性 5 碳纤维应用的主要问题和解决途径碳纤维应用的缺陷 1 碳纤维是一种昂贵纤维材料 在碳纤维应用过程中 价格是主要 障碍 性价比影响了它在风力发电上的大范围应用 2 CFRP比GFI心更具脆性 一般被认为更趋于疲劳 但是研究表明 只要注意生产质量的控制以及材料和结构的几何条件 就可足以 保证长期的耐疲劳 3 直径较小的碳纤维表面积较大 复合材料成型加工浸润比较困难 由于碳纤维叶片一般采用环氧树脂制造 要通过降低环氧树脂制造 的黏度而不降低它的力学性能是比较困难的 这也是一些厂家采用 预浸料工艺的原因 此外碳纤维复合材料的性能受工艺因素影响敏感 如铺层方向 对 工艺要求较高 4 碳纤维复合材料透明性差 难以进行内部检查 但碳纤维在大型叶片中的应用已成为一种不可改变的趋势 目前 全球各大叶片制造商正在从原材料 工艺技术 质量控制等 各方面进行深入研究 以求降低成本 使碳纤维能在风力发电上得 到更多的应用 可通过如下的途径来促进碳纤维在风力发电中的应用 1 叶片尺寸越大 相对成本越低 碳纤维更适于3Mw 40m 以上 尤其是5Mw以上的产品 因为材料用量下降 才能比玻纤叶片更便宜 另外可采用从沥青制造的低成本碳纤维 这种碳纤维的价格可以降 到5美元 l b的心理价位 下一代采用轻质 高性能碳纤维叶片的5 10Mw风力机 设计更加可靠 市场竞争力也更强 2 采用特殊的织物混编技术 根据叶片结构要求 把碳纤维铺设在刚度和强度要求最高的方向 达到结构的最优化设计 如TPI公司采用碳纤维织物为8009三轴向织物 tri aXial fabric 由一层500900T 600碳纤维夹在两层1509成土450的玻纤 织物内 对于原型叶片中 碳纤维成200 玻纤层的三轴向织物为 650and 2 50 这种方向的铺层可充分地控制剪切负载 旋转织物意味着织物边沿和叶片方向成200角 逐步地引入旋转耦合 部件 the锕i st coupl ingponem 3 采用大丝束碳纤维 叶片生产中 采用大丝束碳纤维可达到降低生产成本的目的 如一种新型丙烯酸碳纤维 美国专利US6103211 该发明的目的在于 提供一种高强度的碳纤维 这种碳纤维适用于风力机叶片材料等与 能源相关的设备 4 采用新型成型加工技术 如VARTM和Li ght RTM技术 在目前的生产中 预浸料和真空辅助树脂传递模塑工艺已成为两种 最常用替代湿法铺层技术 对于40m以上叶片 大多数制造商采用VA RTM技术 但VESTAS和GAMESA仍使用预浸料工艺 技术关键是控制树脂粘度 流动性 注入孔设计和减少材料孔隙率 在大型叶片制造中 由于碳纤维的使用 聚酯树脂已被环氧树脂来 替代 利用天然纤维一热塑性树脂制造的 绿色叶片 近年来也倍 受重视 如爱尔兰的Gaotl l公司已负责制造12 6米长的热塑性复合材料叶片 Mi tsubishi 三菱 公司将负责在风力发电机上进行 绿色叶片的试验 如果试验成功后 他们将继续研究开发30米以上的热塑性复合材料 标准叶片 为了降低模具成本 减轻模具重量 大型复合材料叶片的制造模具 也逐渐由金属模具向着复合材料模具转变 这也意味着复合材料叶 片可以做得更长 另外 由于模具与叶片采用了相同的材料 模具材料的热膨胀系数 与叶片材料基本相同 制造出的复合材料叶片的精度和尺寸稳定性 均优于金属模具制造的叶片产品 参考文献 1 J oosse P A van Delft D Rv Kensche Chr Hal ln F J acobsen T K VaIlden Be玛 R M Economi cuse ofcarbon fibres in large wind tIlrbi nebl ades 2000P厂Dc D厂19th ASMEWi ndEnergy Symposil lIn AIAA一2000 0058 38th AerospaceSci encesMee劬g andE hi bi t Reno NV UNITED STATES10 13J an 2000 pp 367 374 2000f21 Composites preme enablerfor windenergy Rei nf orced pl asti csMayxxPP29 45 31 The bigger blade the carbonopti on Rei nf orced D1asti csM砌 chxxPP20 30f41 Bl ademakes tll mto carbon Rei nforcedplastics J unexxPP l6 5 L G J J anssen Wind眦ine MateriaIs andConstmcti ons J o啪al of sol arenergy engineeri ng 厂01 125 NOVEMBERxx 61M弛sol lr H Moh锄ed Kyle K Wetzel 3D WbvenCarbo Gl硒s Hybrid SparCap