碳纤维在风电叶片中的应用

碳纤维在风电叶片中的应用1.风力发电技术的发展风电的价格和风机功率成反比，风机率越大，单位发电成本越低（表l）。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；从80年代末期到90年代初期，风电机组单机容量从100kw增加到达500kw；到90年代中期，典型的风电机组单机容量为750-1MW；到90年代末，风电机组单机容量已经达到2.5MW；目前已达3.5MW以上，世界平均单机容量为1Mw，最大单机容量为5Mw。预计2010年将开发出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500kw-2.5MW的风力机，叶片长13.5－39米（丹麦LMGlasfiber公司制造）；660kw-1.65MW的风力机，叶片长23－39米（丹麦VestasWindSystemsAS制造）。在兆瓦级风电机组中，如1MW的叶片长31米，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—40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％。PeterJamieson认为风叶成本约占风电成本的10％。风叶类似于航空叶片，要求提高提升比（Lift－to－dragratio），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，以受风力造成的疲劳次数达10（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于叶片时，采用忏能更好的碳纤维复合材料是势在必行。根据国外有关资料报道，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。国外碳纤维用于叶片制造的厂家主要有：＊丹麦LMGlassfiber“未来”叶片家族中61.5米长、5MW风机的叶片在梁和端部都选用了碳纤维；＊德国叶片制造商NordexRotor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；＊VestasWindSystem在他们制造的44米长、V-903.0MW风电机中的叶片的梁采用了碳纤维。2004年12月ZoltekCompaniesInc．宣布与VestaswindSystemsAS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；ZoltekCompaniesInc在股东大会上宣布对NEGMicon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Ganesa各提供1000吨，所用牌号为Panex3348K；＊西班牙Gamesa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，G90叶片长44米，质量约7t。＊NEGMicon在40米的叶片中采用了碳纤维增＊德国EnerconGmbH在他们的大型叶片的制造中也使用了碳纤维。华盛顿的Kirkland公司收到美国能源部（U.S.DepartmentofEnergy）的75万美元，作为研发资金，和TPIComposites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，制造和测试以证明先进的碳纤维混编设计的商业可能性。碳纤维在风叶中的应用逐年在增加（图2）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和图4）：＊横梁（Spar），尤其是横梁盖（SparCaps）。＊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US6457943BI），如图3中涂黑的部分采用碳纤维。（专利EP1485611）＊叶片的表面，采用具有高强度特性的碳纤维片材（日本专利JP2003214322）。