碳纤维在风电叶片中的应用

碳纤维在风电叶片中的应用中材科技风电叶片股份有限公司二Ο一一年八月一日一、碳纤维复合材料在风电叶片中应用的优势二、碳纤维在风电叶片上应用技术发展三、碳纤维在风电行业中的应用展望汇报提纲复合材料风机叶片具有优异的综合性能1.风电叶片的发展历程和趋势风电叶片材料的发展历程木制叶片铝合金叶片布蒙皮叶片复合材料叶片钢梁玻璃纤维蒙皮叶片一、碳纤维复合材料在风电叶片中应用的优势可以充分利用复合材料的可设计性，对叶片的强度、刚度进行优化设计对于复杂的外形和表面要求，可以制作出形状复杂、轻质高强的叶片具有疲劳强度高、缺口敏感性低、内部阻尼大、耐候性优良的特点维修性好、周期短、可以现场施工采用复合材料来制造风机叶片可以取得优异的综合性能一、碳纤维复合材料在风电叶片中应用的优势风力发电机组向大功率、长叶片方向发展风机机组正朝着大型化发展，叶片长度越来越长，捕获的风能越来越多，必须开发更为先进的材料，具备轻质、高强以及刚性好的性能。一、碳纤维复合材料在风电叶片中应用的优势风机直径的变化趋势图随着叶片逐渐变大，风轮直径已突破120m，最长的叶片已做到61.5m，叶片自重达18t，大型叶片这对材料的强度和刚度提出了更加苛刻的要求，全玻璃钢叶片已无法满足叶片大型化，轻量化的要求。一、碳纤维复合材料在风电叶片中应用的优势比重小：约为钢材的1/5、抗拉强度大：碳纤维的抗拉强度约为钢材的10倍刚度高：碳纤维的刚度是玻璃纤维的3倍，制成的复合材料是玻璃钢的2倍弹性模量高：碳纤维复合材料的拉伸弹性模量高于钢材，但玻璃纤维复合材料的拉伸弹性模量则仅为钢材的1/4疲劳强度：碳纤维复合材料的疲劳强度高于高强纲丝还具有导电、热膨胀系数小、耐腐蚀和耐久性强等特点一、碳纤维复合材料在风电叶片中应用的优势2、碳纤维复合材料更加适合风电叶片的要求3.碳纤维在风电叶片中应用的优势提高叶片刚度，减轻叶片重量一、碳纤维复合材料在风电叶片中应用的优势直径为120m风轮叶片部分使用碳纤维可有效减少总体自重达38％，叶片成本降低14%，并使整个风力发电装置成本降低4.5%一、碳纤维复合材料在风电叶片中应用的优势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。风机总是处在条件恶劣的环境中，并且24h的处于工作状态，这使材料易于受到损害。碳纤维复合材料具有出众的抗疲劳特性，是风力机适应恶劣气候条件的最佳材料之一。使风机的输出功率更平滑更均衡，提高风能利用效率提高叶片抗疲劳性能使用碳纤维后，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。一、碳纤维复合材料在风电叶片中应用的优势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。可制造自适应叶片叶片装在发电机的轮轮上，叶片的角度可调。可充分利用碳纤维复合材料质轻和可设计性，形成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，防止对风机的损害。一、碳纤维复合材料在风电叶片中应用的优势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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。利用导电性能避免雷击？？具有振动阻尼特性一、碳纤维复合材料在风电叶片中应用的优势二、碳纤维在风电叶片中应用技术发展目前碳纤维复合材料风电叶片主要采用预浸料成型1.工艺技术预浸料法成型工艺示意图碳纤维复合材料风电叶片成型的发展趋势是低成本的液体成型技术碳纤维材料成本低不需要特殊的储存设备，材料储存成本低生产周期短，劳动力成本低材料成本高预浸料中树脂体系有一定的使用寿命，预浸料需要在低温下保存，需要特殊的储存设备，储存成本高需要特殊的设备辅助铺层，铺层过程较慢，成型周期长预浸料成型碳纤维复合材料风电叶片：二、碳纤维在风电叶片中应用技术发展一般玻纤直径比较大碳纤有更多具体的浸渍表面（m2/kg）碳纤单向布比玻纤渗透性还低一般上碳纤纤维体积比含量较高碳纤玻纤K△Pη(1-φ)SV=碳纤维表面呈惰性，树脂浸润困难、预成型体渗透性能差，一般需进行表面处理2.质量控制技术二、碳纤维在风电叶片中应用技术发展CFRP不透明，难以进行内部检查，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、红外等二、碳纤维在风电叶片中应用技术发展超声无损检测碳纤维主梁照片碳纤/玻纤整体3D编织物3.设计技术二、碳纤维在风电叶片中应用技术发展根据碳纤维在叶片中的应用部位以及成型工艺的要求，需要对碳纤维织物进行特殊的结构设计，以最大发挥碳纤维的性能优势。3.1用于风电叶片的碳纤维织物的设计技术碳纤维经编织物用缝线将多层单向纤维层按指定的角度缝合起来碳纤维经编织物结构示意图和实物照片二、碳纤维在风电叶片中应用技术发展碳纤维经编织物的特点：铺覆性更好、纤维屈曲程度较小，更利于发挥纤维的性能缝线的存在极大的增加了其复合材料的层间剪切强度、损伤容限和冲击韧性相对于单向纤维预浸带，虽然其复合材料的拉伸强度略低，但制造总成本低二、碳纤维在风电叶片中应用技术发展碳纤维复合材料主梁帽降低叶片重量，大幅提高叶片主梁的模量二、碳纤维在叶片上的技术发展碳纤维用于叶片主梁帽制造3.2碳纤维在风电叶片中的应用设计技术碳-玻璃混合纤维复合材料主梁碳纤维复合材料梁结构形式：CF基体材料GF基体材料CFRP层GFRP层CFRP层GFRP层CFGF全碳纤维复合材料梁碳-玻璃混合纤维复合材料主梁截面示意图二、碳纤维在风电叶片中应用技术发展迎风面迎风面主梁（碳纤维复合材料）背风面背风面主梁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二、碳纤维在风电叶片中应用技术发展CN101749173A：风力涡轮机转子叶片的翼梁缘条系统和转子叶片制造方法碳纤维复合材料翼梁缘条以低成本满足对较长转子叶片的刚度要求，并减轻叶片重量碳纤维复合材料翼梁缘条设计二、碳纤维在风电叶片中应用技术发展碳纤维复合材料梁的应用实例公司叶片长度或风机功率应用部位碳纤/玻纤混合及工艺Vestas44m梁帽全碳纤维Gamesa42.5、44、87、90m梁帽预浸碳纤/预浸玻纤交替NEGMicon40m梁帽碳纤维增强NordexRotor44、56m主梁全碳纤维Repower转轮直径126m梁帽碳纤和玻纤混合DeWind40m梁帽预浸碳纤梁帽嵌入蒙皮GE48.5m梁帽全碳纤维南通东泰电工2MW主梁全碳纤维中材叶片56m/3MW主梁全碳纤维中复联众39.2m/2MW主梁全碳纤维二、碳纤维在风电叶片中应用技术发展US7758313B2：Carbon-glass-hybridsparforwindturbinerotorbladesCN200710005708.6：风力涡轮机转子叶片的碳-玻璃混合型翼梁CN101057073A:用于风力涡轮机叶片的结构梁及其制造方法US20080310964A1：StructuralbeamforawindgeneratorbladeproductionmethodthereofCN200910028100.4：一种2.0MW风力机叶片碳纤维大梁的制造方法CN200910028101.9：一种风力发电机叶片用碳纤维大梁US20070189903A1：WindturbinerotorbladesCN1294353C:风力涡轮机叶片及其制造方法US20110123346A1：Windturbineblade碳纤维复合材料梁相关专利：二、碳纤维在风电叶片中应用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层二、碳纤维在风电叶片中应用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。碳纤维复合材料在叶根处应用设计相关专利：CN200810088112.1：用于风轮机的叶片US20070140863A1：Windturbinerotorblade二、碳纤维在风电叶片中应用技术发展相关专利：US2005018053A1：WindturbinebladewithcarbonfibertipCN03806411.1：具有碳纤维尖部的风力涡轮机叶片碳纤维应用到靠近叶尖部位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。二、碳纤维在风电叶片中应用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复合材料加固分段叶片设计相关专利公司叶片长度应用部位碳纤/玻纤混合及工艺U.S.DOE9.0m蒙皮全表面碳纤/玻纤混合相关应用实例JP2003214322：风力发电机叶片表面处理方法CN1977108A:由两个分离的部分制成的风轮机叶片以及装配方法US20080069699A1：Windturbinebladesmadeoftwoseparatesections,andmethodofassembly二、碳纤维在风电叶片中应用技术发展三、碳纤维在风电产业中的应用展望风机叶片的长度不断增大，碳纤维的应用将越来越多风机叶片的长度不断增大，碳纤维的应用将越来越多三、碳纤维在风电行业中的应用展望三、碳纤维在风电行业中的应用前景2010年随着中国海上风电序幕的拉开，碳纤维在风机叶片领域的技术研究将成为风电市场新的重头课题，这也为风电设备企业提供了新的经济增长点，同时中国碳纤维产业也迎来了新的发展机遇。未来海上风电的发展对碳纤维的用量将不断增加三、碳纤维在风电行业中的应用前景未来海上风力发电机组对碳纤维的需求量将大幅增加未来海上风电机组的额定功率将超过20MW、转子直径约200m，碳纤维能够为海上风力发电提供更轻质、更抗拉力、更耐腐蚀的叶片和塔架材料。未来碳纤维在全球风电叶片领域的估测用量（单位为吨）三、碳纤维在风电行业中的应用前景未来碳纤维在风电领域的用量估测我国风电叶片领域碳纤维消费预测（单位为吨）三、碳纤维在风电行业中的应用前景未来碳纤维在风电领域的用量估测三、碳纤维在风电行业中的应用前景碳纤维将使综合风力发电成本降低碳纤维的使用将使风力发电机组向轻质、大型化发展，整体发电效率提高碳纤维的使用将使整个风力发电机组的安装运输成本相对降低碳纤维的使用将使风力发电机组的整体性能提高，风力发电机组定期检修、维护成本降低未来碳纤维在风电领域的规模化推广应用以及逐步成熟的风力发电市场将促使风力发电机组相关制造厂商良性竞争，不断进行技术革新，促进碳纤维复合材料的成型技术向低成本化方向发展碳纤维将使综合风力发电成本降低未来综合风力发电成本降低的因素：三、碳纤维在风电行业中的应用前景谢谢