碳纤维及复合材料在风电叶片中的应用进展

碳纤维及复合材料在风电叶片领域的应用进展陈虹,中国复合材料集团有限公司2013年07月25日,碳纤维在叶片中应用的技术发展,全球风电产业发展现状,中国复材风电叶片,碳纤维在风电领域的应用进展,碳纤维在叶片中的应用优势,全球风电产业发展现状,全球风电产业发展现状,2012年全球累计海上风电装机容量5410MW（同比增长31.4%）全球新增海上风电装机容量1292MW中国海上风电完成吊装容量395MW,海上风电,10MW和12MW海上风力机组的已启动研发风轮直径约200m,全球风电产业发展现状,主机商：金风（3MW、6MW）、华锐（3MW、5MW、6MW）联合动力（3MW、6MW）、明阳（3MW、6MW）东汽（3MW、5.5MW）、湘电（5MW）、上海电气（3.6MW、6MW）叶片生产商：曾多达经近百家，经过近几年的激烈竞争，目前能够批量供货的制造商不足10家。中国复材、中材科技、中航惠腾、LM;东汽、国电、明阳、上海玻钢院、VESTAS、GAMESA,中国风电产业发展现状,风电发展目标,根据可再生能源发展“十二五”规划到2015年，风电并网容量大约为120GW，需要每年新增装机15GW以上;2020年，我国风电并网目标要达到200GW;全球风能理事会预测2020年中国风电装机容量达到250GW。,中国风电产业发展现状,海上风电目标和建设重点,风力发电厂正从内陆及大陆沿海地区逐步转向海上；2020年前，中国将在江苏南通、盐城、上海、山东鲁北浙江杭州等海湾建设几个百万千瓦级海上风电基地；到2015年底，我国海上风电累计装机有望达5GW，,中国风电产业发展现状,碳纤维在叶片中应用的技术发展,全球风电产业发展现状,中国复材风电叶片,碳纤维在风电领域的应用进展,碳纤维在叶片中的应用优势,叶片,塔架,轮毂,齿轮箱,发电机,风机主要零部件：叶片、齿轮箱发电机,良好的设计和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素,碳纤维在风电叶片中的应用优势,风轮直径,陆上风机,海上风机,风力发电机成长与发展之路,5MW,3.6MW,10MW,2.5MW,1.5MW,750KW,500KW,300KW,100KW,50KW,（米）,碳纤维在风电叶片中的应用优势,Enercon的6MW,7MW风电机组已成功运行；GE的7MW和Vestas的10MW机组正在研制中；中复连众的6MW风电叶片已成功吊装。,大型化是风机及叶片发展的必然趋势,轻质/高强/刚性好,风机旋转半径与叶片质量的关系-几乎呈立方关系,叶片长度的增加，单纯的玻纤材料很难满足叶片的设计要求。,碳纤维在风电叶片中的应用优势,提高叶片强度，减轻叶片重量,碳纤维叶片,玻纤叶片,叶片长度/（米）,碳纤维在风电叶片中的应用优势,随着叶片长度的增加，为了减轻叶片重量，同时又提高刚度，碳纤维就成了解决这一设计难题的首选纤维材料。,重量轻：在满足刚度和强度要求的条件下，比玻纤叶片轻20%以上低负荷更轻的变桨轴承、偏航系统、风机轮毂、塔筒更易操作，运输及吊装减少组件大小、重量、成本扰度更小，机翼部分更薄:机翼气动效率更高，提高风能利用率和年发电量动力问题少预弯少，垂悬部分小,碳纤维在风电叶片中的应用优势,成本：综合风力发电成本降低运输、吊装成本相对降低对机组相关部件的强度和刚度要求降低，使用寿命延长风力发电机组的整体性能和效率提高定期检修、维护成本降低,在不提高轴承、根部紧固件、风机轮毂负荷的情况下可以增加叶片的长度，在同一平台上能捕捉更多能量,碳纤维在风电叶片中的应用优势,在设计时，由于主要考虑到疲劳和扰度，因此设计者们通常无法充分利用玻璃纤维的静应变范围。碳结构静态时很稳定，在20年寿命期间，其疲劳损伤很小。,碳纤维在风电叶片中的应用优势,疲劳性能,叶片长度（m）,叶根弯矩,静态玻璃纤维,静态碳纤维,疲劳玻璃纤维,疲劳碳纤维,碳纤维在风电叶片中的应用优势,19,风电叶片常用的碳纤维增强材料,目前，叶片常用的碳纤维：日本东丽：T620/T700S美国卓尔泰克：P35,直径：7.2微米强度：4150Mpa模量：242Gpa密度：1.81g/cc用做“UDprepreg”单向预浸带500-600g/m2编织布725-875g/m2预浸后预浸后供应价为$24/kg,干碳纤维用做单向带或多轴无纺织物时可以浸润树脂,卓尔泰克Panex3550k,风电叶片常用的碳纤维增强材料,通过GL认证,T620S是日本东丽专门为风电叶片开发出的碳纤维。,风电叶片常用的碳纤维增强材料,CFRPT620疲劳实验结果,碳纤维在风电叶片中的应用优势,1.E+021.E+031.E+041.E+051.E+061.E+071.E+08#ofCyclesN,6005004003002001000,MaximumSressSMPa,25002000150010005000,应力范围,E-glass/epoxy(Vf=53%)Lay-upand%0-material:45/0S,64%-0Laminatefabricatedby:MSU,假设风应力发生的频率是20年,碳纤维在风电叶片中的应用优势,等效破坏疲劳负载,碳纤维在风电叶片中的应用优势,25,叶片用碳纤维与玻璃纤维相比,叶片用碳纤维复合材料与玻璃纤维复合材料相比：,碳纤维在风电叶片中的应用优势,轮毂重量3叶片重量,注：碳纤维预浸料减少叶片整体重量25-35%从而降低了轮毂的重量,重量（kg）,风电机组组件重量比较,碳纤维在风电叶片中的应用优势,轮毂重量/叶片重量,来源于美国国家能源部可再生能源实验室(NREL)WindPACT报告轮毂质量（kg）=0.954x（叶片质量）+5680轮毂成本=轮毂质量x$4.25/kg,轮毂质量kg,叶片质量，kg,碳纤维在风电叶片中的应用优势,当主梁使用碳纤维增强复合材料时，与玻璃钢叶片比较，叶片重量减轻12%，且具有更高刚性，更高耐疲劳性。更低运输安装成本以及维修成本，延长风机使用寿命带来的成本的降低等优势。,只在大梁处用碳纤维复合材料替换玻璃纤维复合材料,大梁:GFRP,大梁:CFRP,根据东丽风能研究所资料(1.5MW),玻纤和碳纤在风电叶片上使用的比较,-27%,+14%,减重27%成本增加14%,仅针对材料成本,玻纤和碳纤在风电叶片上使用的比较（57m叶片）,仅针对材料成本,*包括碳纤维/玻璃纤维混合材料蒙皮中的1085kg碳纤维,-24%,-39%,+9%,+5%,玻纤和碳纤在风电叶片上使用的比较（74m叶片）,仅针对材料成本,-32%,-55%,+7%,0%,碳纤维叶片质量较轻，成本与玻璃纤维叶片相近,玻璃纤维：53mt碳纤维：36mt碳纤维2*：24mt*C/G蒙皮,玻纤和碳纤在风电叶片上使用的比较（90m叶片）,中国复材6MW：65m纯玻纤叶片28吨，碳纤维叶片20吨，减重30%,碳纤维叶片,LM5MW61.5m：17.74吨,Gamesa2MW44m：5.8吨,连众39.2m：5.8吨,Vestas3MW44m：6吨,重量比较,碳纤维在风电叶片中的应用优势,碳纤维在叶片中应用的技术发展,全球风电产业发展现状,中国复材风电叶片,碳纤维在风电领域的应用进展,碳纤维在叶片中的应用优势,叶片根部增加叶片的抗弯矩,承力主梁提高叶片的强度和刚度,蒙皮或外壳部分增强叶片的表面强度和耐腐蚀性能,原料：单向碳纤维预浸料和碳纤维多轴向织物。工艺：真空辅助成型工艺(VARTM)或树脂膜渗透（RFI）工艺。,碳纤维在叶片中的主要应用部位和作用,碳纤维在叶片中应用的技术发展,碳纤维复合材料主梁结构形式：,全碳纤维复合材料主梁,碳-玻璃混合纤维复合材料主梁截面示意图,碳-玻璃混合纤维复合材料主梁,碳纤维在叶片中应用的技术发展,非对称全碳纤维复合材料梁,碳纤维复合材料条带加固主梁,碳纤维复合材料条带,降低作用在内支撑梁的受力和扭矩，并且降低在壳体外周围附近的薄层上的抵抗拉力和压力的抗力，给叶片提供一个关于边缘弯曲模式的改良的结构效率。,碳纤维在叶片中应用的技术发展,叶根安装法兰处碳纤维复合材料补强,碳纤维沿叶片长度方向取向,叶根处垂直于叶片长度截面示意图,碳纤维复合材料在叶根处的应用设计,CFRP层,GFRP层,碳纤维在叶片中应用的技术发展,碳纤维复合材料叶根处增强：减小叶根壁的厚度增加叶根法兰处连接处的刚度，施加在螺栓的动态载荷减小，连接处的疲劳强度增加。提高了法兰的断裂强度和承载强度，使得螺母的尺寸减小，T型螺栓的间距缩短，可增加叶根法兰处螺栓数量，从而增加叶片和轮毂连接处的静态和疲劳强度。,碳纤维在叶片中应用的技术发展,碳纤维应用到叶尖部位,碳纤维复合材料在靠近叶尖处的应用设计,叶尖部分重量减小，减小了叶根部分在涡轮上的负载，叶尖部分刚度增加，可以减小叶片偏斜太厉害导致叶片的尖部打击涡轮毂杆塔的危险，并且比只由碳纤维复合材料构成的叶片生产成本低。,碳纤维在叶片中应用的技术发展,碳纤维复合材料加固分段叶片，便于大型叶片的运输，同时形成具有非常高的抗拉强度的连接接头，确保风轮机叶片和连接接头即使在极端气象条件仍能正常工作。,分段叶片连接处,碳纤维复合材料条带,碳纤维复合材料加固分段叶片,碳纤维在叶片中应用的技术发展,CFRP不透明，难以用肉眼进行内部检查，需借助无损检测技术进行质量检测,无损检测手段：超声、声发射、红外等,碳纤维叶片的无损检测应用,超声无损检测碳纤维主梁,碳纤维复合材料梁的应用实例,解决方案,价格高：性价比影响了它在风力发电上的大范围应用；技术问题：直径较小的碳纤维表面积较大，成型加工比较困难;大丝束碳纤维不易展开，使强度及刚度等性能受影响,制约碳纤维在大型风电叶片应用的因素,研究大丝束碳纤维的应用技术研究真空灌注工艺用树脂体系研究碳/玻混杂复合材料,未来碳纤维在全球风电叶片领域的估测用量（单位：吨）,未来碳纤维在风电领域的用量估测,碳纤维在风电行业中的应用前景,目前碳纤维价格较前几年有大幅度的降低，风电叶片对碳纤维的需求将越来越多。,Zoltek公司多年来为风电叶片领域供应了约2万吨大丝束碳纤维。,碳纤维在叶片中应用的技术发展,全球风电产业发展现状,中国复材风电叶片,碳纤维在风电领域的应用进展,碳纤维在叶片中的应用优势,2005年：中国复材成功自德国引进1.5MW风力机叶片技术，率先成为国内能够自主生产兆瓦级风机叶片的大型企业。2007年1月6日：收购NOI公司正式签约，成立海外全资子公司并设立研发中心，正式开展国际化经营。,黑龙江富锦风场,坝上风场,威海风场,中国复材风电叶片,可规模生产1.25MW-6MW、9个系列近30个型号风电叶片；3MW、5MW、6MW叶片已成功应用于海上风电场;5MW叶片于2012年通过GL认证;62m-6MW海上风电叶片于2011年10月在江苏盐城完成装机。10MW的风电机组正在设计中,已经连续三年市场占有率达到20%以上。,中国复材风电叶片,一个研发中心5个生产基地,具备年产1万片MW级叶片的生产