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碳纤维材料在风力发电机叶片中的应用姓名：钱丹丹 班级：材料0904 学号：1101090403（南京工业大学 材料科学与工程学院） 摘要：如今碳纤维在风电叶片中的应用已经成为必然。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。本文介绍了碳纤维材料在风力发电机叶片中应用的工作原理、优点以及一些不足之处。关键词：碳纤维；风电叶片；风力发电；Carbon fiber composites in wind turbine blade Abstract：Today, carbon fiber in wind blade of applications has become inevitable. In order to reduce the cost of wind power units, fan power continues to increase, then the length of the blade is increasing. This paper introduces the carbon fiber composites in wind turbine blade in the application of the principle, advantages and disadvantages.Key words：carbon fiber；Wind turbine blade；Wind power generation；1 引言 碳纤维是一种纤维状碳材料。它是一种强度比钢大、密度比铝小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。碳纤维可通过高分子有机纤维的固相碳化或低分子烃类的气相热解来制取。目前各国工业用的碳纤维原料有聚丙烯纤维、黏胶丝和沥青纤维三种。碳纤维复合材料在能源方面的应用也在研究进展当中。2 碳纤维技术发展回顾 碳纤维是一种高强度、高模量材料，理论上大多数有机纤维都可被制成碳纤维，实际用作碳纤维原料的有机纤维主要有三种：粘胶纤维、沥青纤维、聚丙烯腈纤维。当前固体火箭发动机结构件用的碳纤维大多由聚丙烯腈纤维制成。碳纤维的开发始于二十世纪六十年代，起初用于耐烧蚀喉衬、扩张段材料，后来逐渐在其它结构件上应用。自八十年代以来，碳纤维发展较大：性能不断提高。七、八十年代主要以3000MPa的碳纤维为主，九十年代初普遍使用的IM7、IM8纤维强度达到5300MPa，九十年代末T1000纤维强度达到7000MPa，并已开始工程应用。品种不断增多。以日本东丽公司为例，1983年生产的碳纤维品种只有4种，到1995年碳纤维品种达21种之多。不同种类、不同性能的碳纤维可满足不同需要，为碳纤维复合材料的广泛应用提供了坚实基础1。3 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及日趋成熟，风力发电机组研究沿着增大单机容量、减轻单位千瓦质量、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2060 kW；年代初期，增加到500 kW；90年代中期，为750 kW1 MW；90年代末，已达到2.5 MW；目前世界平均单机容量为1MW，最大单机容量为5 MW。预计2010年将开发出单机容量为10MW的风电机组。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500 kW2.5 MW的风力机，叶片长13.539.0 m丹麦LMGlasfiber公司制造）；660kW1.65MW的风力机，叶片长2339m（丹麦Vestas Wind Systems AS制造）。在兆瓦级风电机组中，如1MW的叶片长31m，每片重约45t；1.5MW主力机型风力机叶片长3437m，每片重约6t；目前商业化风力发电所用的电机容量一般为1.52.0MW，与之配套的复合材料叶片长度大约3240m，重68 t；现代的54m大型叶片重l3t。现今世界上最大5MW的风力发电机的叶片长61.5m，单片叶片的质量接近18t，旋转直径可达126.3m。叶片也是风机中成本最高的部件，虽然它的质量不到风机质量的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”（Lift-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 a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）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2-4。4 碳纤维材料在风力发电机叶片中的应用 当叶片长度增加时，质量的增加要快于能量的提取，因为质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。减轻叶片的质量，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势在必行。”他们认为当风力机超过3MW、叶片长度超过40m时，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璃纤维叶片便宜，因为材料用量、劳动力、运输和安装成本等都下降了5。 5 叶片制造工艺及流程5.1 三维编织体/VARTM 技术5.1.1 材料选择目前的风力发电机叶片基本上是由聚酯树脂、乙烯基树脂和环氧树脂等热固性基体树脂与玻璃纤维、碳纤维等增强材料，通过手工铺放、树脂注入成型工艺复合而成。对同一种基体树脂，采用玻璃纤维增强的复合材料制造的叶片的强度和刚度的性能要差于采用碳纤维增强的复合材料制造的叶片的性能。随着叶片长度不断增加，叶片对增强材料的强度和刚性等性能也提出了新的要求，从而对玻璃纤维的拉伸强度和模量也提出了更高的要求。为了保证叶片能够安全的承担风温度等外界载荷，大型风机叶片可以采用玻璃纤维碳纤维混杂复合材料结构，尤其是在翼缘等对材料强度和刚度要求较高的部位，则使用碳纤维作为增强材料。这样，不仅可以提高叶片的承载能力，由于碳纤维具有导电性，也可以有效地避免雷击对叶片造成的损伤。华东理工大学华昌聚合物有限公司与上海玻璃钢研究院有限公司合作，成功研发出具有自主知识产权、适用于大型风机叶片的复合材料高性能环氧乙烯基酯树脂。高性能环氧乙烯基酯树脂黏结性能良好，力学性能优异，收缩率低，成本较低。5.1.2 三维编织增强材料预成型加工方法有: 手工铺层、编织法、针织法、热成型连续原丝毡法、预成型定向纤维毡法、CompForm 法和三维编织技术等。编织法过去大多采用经纬交织的机织物来制作玻/碳纤维基布材料，从承载状态上来考虑采用经编织物作为增强复合材料的基布比经纬交织的机织物具有更明显的优势。如图1所示：图1、经编织物结构图这类轴向织物由于承受载荷的纱线系统按要求排列并绑缚在一起，因此能够处于最佳的承载状态。另一方面，由于机织物中的纱线呈波浪形弯曲，再加上纱线自身的捻度，使其模量、拉伸强度和抗冲击强度都有一定的损失。而轴向技术使得织物的纱线层能按照特定的方向伸直取向，故每根纤维力学理论值的利用率几乎能达到100%。此外，轴向织物的纱线层层铺叠，按照不同的强度和刚度要求，可以在织物的同一层或不同层采用不同种类的纤维材料，如玻璃纤维、碳纤维或碳/玻混杂纤维，再按照编织点由编织纱线将其绑缚在一起。除了经编轴向织物外, 还可以利用纬编绑缚系统开发纬编轴向织物, 根据经纬编结构的特性, 纬编轴向织物较经编绑缚结构具有更好的可成型性, 因此在风电叶片结构设计中具有极好的应用前景。适合编织矩形和板状材料的增强体, 而圆形编织适合编织圆形和管型材料的增强体, 异形编织则用于编织各种特殊形状的增强体。只要织物的结构形状是由矩形组合或是圆或圆的某一部分组合而成,就可以用编织方法一次成型。 （a）四步编织过程 （b）材料结构图3、四步编织法 四步编织法发明之初,所有的纱线都参加编织运动,且全部编织纱都在空间 3个方向内发生相对运动,因此这种编织方法是一种真正的三维编织工艺。具体编织过程如图3（a）所示,在一个编织周期中,编织纱沿着正交的2个方向依次进行往复运动,一个完整的编织周期中携纱器需要完成4个动作,因此被称为四步法。如图3（b）所示,由于结构中所有纱线在空间中的分布只有4个不同的方向,因此制成的复合材料被称为三维四向编织复合材料。5.2 叶片复合材料结构设计流程5.2.1 常规制备流程1) 制造外壳和主梁 外壳由玻璃钢在模具内进行制造，主梁在真空袋中高温浇注而成；2) 安置模具，在模具内喷涂胶衣树脂，形成叶片的保护表面；3) 把外壳放入模具中，并铺覆玻璃纤维；4) 安装主梁，起到支撑作用；5) 安装泡沫材料；6) 在泡沫材料上铺覆玻璃纤维；7) 在玻璃纤维和泡沫材料上铺放真空膜；8) 灌注树脂，并进行高温真空浇注；9) 取下真空膜；10) 用相同方法制成另外一半壳体；12) 安装腹板(腹板为夹层结构)；13) 安装避雷装置等；14) 安置主模具，在壳体边缘和腹板上涂胶粘剂，粘合两壳体；15) 加热，使玻璃纤维更硬；16) 叶片脱模，进行最终加工(切割和打磨)。 模具由符合材料制作而成，这样模具更轻，刚度更高。另外，用同种材料制造的叶片和其模具在灌注树脂时对温升的反应相同。5.2.2 加入碳纤维改进随着叶片长度的增加，对材料刚度提出了更高的要求。玻璃纤维复合材料的性能已经达到应用极限，不能有效满足材料要求，因此碳纤维在风机叶片中的应用逐年增加。但是由于碳纤维比玻璃纤维昂贵，采用100%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璃纤维混合使用，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，如图5所示：1) 横梁，尤其是横梁盖。2) 前后边缘，除了提高刚度和降低重量外，还起到避免雷击对叶片造成的损伤。3) 叶片的表面，采用具有高强度特性的碳纤维片材。图5、叶片结构横截面示意图采用三维四步编织术，主体使用GFR,在图5所示的5、6、7、8区域轴向加入CFR,织出与模具形状一致的预制件。将预制件固定在模具中，采用VARTM的方式注入树脂。6 碳纤维在风力发电机叶片中的应用优势(1) 提高叶片刚度，减轻叶片质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38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 m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，和采用全玻璃纤维的相比，质量可减轻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2倍。据分析，采用碳纤维玻璃纤维混杂增强方案，叶片可减轻2030。Vesta Wind System 公司的V90 3MW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V80 2MW发电机且为39m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为5800kg，采用玻璃纤维增强环氧树脂时质量为5200kg，而采用碳纤维增强环氧树脂时质量只有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纤维所制得的风机叶片质量比采用玻璃纤维的轻约32%，而且成本下降约16%。(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24h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，叶片质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（“self-adaptive” blade）叶片装在发电机的轮轴上， 叶片的角度可调。目前主动型调节风机（active utility -size wind turbines）的设计风速为1315 m/s (2933 英里/h)，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 control system），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Sandia National Laboratories致力于自适应叶片研究，使1.5 MW风机的发电成本降到4.9美分/(kWh)，价格可和燃料发电相比。（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伤。（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） 具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6-8。7 碳纤维应用的主要问题和解决途径7.1 碳纤维应用的主要问题碳纤维应用有以下主要问题需要解决。（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GFRP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。7.2 解决途径 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) 用碳纤维代替玻璃纤 叶片尺寸越大，相对成本越低。碳纤维更适于3 MW（40m）以上，尤其是5 MW以上的产品。因为材料用量下降，才能比玻璃纤维叶片更便宜。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每磅5美元的心理价位。下一代采用轻质、高性能碳纤维叶片的510 MW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800g 3轴向织物（triaxial fabric）， 由1层500g 0T-600碳纤维夹在2层150 g成45的玻纤织物内。对于原型叶片中，碳纤维成20，玻纤层的3轴向织物为+65和-25，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20，逐步地引入旋转耦合部件（the twist-coupling component）。(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 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2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VARTM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替代。利用天然纤维热塑性树脂制造的“绿色叶片”近年来也倍受重视，如爱尔兰的Gaoth公司已负责制造126 m长的热塑性复合材料叶片，Mitsubishi (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 m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9-10。参考文献1 丘哲明等编著固体火箭发动机材料与工艺宇航出版社，第一版19952 Joosse P A, Van Delft D R V Kensche Chr, Hahn F, JacobsenT K, Van den Berg R M.Economic Use of Carbon Fibres in Large Wind Turbine BladesC/2000 Proc. of 19th ASME Wind Energy Symposium. 2000: 367-374.3 Composites for Wind EnergyC/Reinforced Plastics, 2003:29-45.4 The Bigger Blade-the Carbon OptionC/Reinforced Plastics,2002:20-30.5 Blade Makes Turn to CarbonC/Reinforced Plastics,2002