碳纤维及复合材料在风电叶片中的应用进展

中国复合材料集团有限公司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日中国复合材料集团有限公司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中国复合材料集团有限公司2012全球累计装机风电容量282GW，占全球发电总装机5%；我国累计风电装机容量75GW，占全球26.8%，居第一全球320GW中国93GW预计2013年全球风电产业发展现状1998-2012全球累计装机容量(GW)中国复合材料集团有限公司全球风电产业发展现状2012全球新增装机容量44.7GW我国新增装机容量13.2GW，占全球新增总装机的30%，居第一(GW)1998-2012全球新增装机容量中国复合材料集团有限公司2012年各国新增装机容量单位：MW2012年，我国新增装机容量为13200MW；截至2012年底，我国累计装机容量达到了75564MW。全球风电产业发展现状中国复合材料集团有限公司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中国复合材料集团有限公司主机商：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中国复合材料集团有限公司风电发展目标根据《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中国复合材料集团有限公司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中国复合材料集团有限公司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中国复合材料集团有限公司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中国复合材料集团有限公司风轮直径陆上风机海上风机风力发电机成长与发展之路5MW3.6MW10MW2.5MW1.5MW750KW500KW300KW100KW50KW（米）碳纤维在风电叶片中的应用优势中国复合材料集团有限公司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中国复合材料集团有限公司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。叶片重量/（千克）碳纤维叶片玻纤叶片叶片长度/（米）中国复合材料集团有限公司重量轻：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中国复合材料集团有限公司成本：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中国复合材料集团有限公司在设计时，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碳纤维预浸料浸渍无碱玻璃纤维材料循环应变幅度疲劳循环次数—N疲劳性能中国复合材料集团有限公司叶片长度（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中国复合材料集团有限公司19玻璃纤维碳纤维性能AdvantexH-glass东丽T620S东丽T700SZOLTEKP3550K三菱丽阳P33060k拉伸强度Gpa2.2063.0604.44.94.154.9拉伸模量GPa7486235230242250断裂伸长率%＞3%＞3%1.872.131.711.96密度g/cm32.622.521.771.81.811.81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中国复合材料集团有限公司•—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中国复合材料集团有限公司通过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中国复合材料集团有限公司CFRP—T620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#ofCyclesN6005004003002001000MaximumSressSMPa25002000150010005000应力范围ΔσUDFabricT620SSaertexT620SSaertexCF”A”环境：大气中温度：R.T.材质：CFRP载荷：控制波形：sin波周波数：5Hz应力比：R=-11.00E+001.00E+011.00E+021.00E+031.00E+041.00E+051.00E+061.00E+07E-glass/epoxy(Vf=53%)Lay-upand%0°-material:[±45/0°]S,64%-0°Laminatefabricatedby:MSU中国复合材料集团有限公司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中国复合材料集团有限公司等效破坏疲劳负载碳纤维在风电叶片中的应用优势中国复合材料集团有限公司25叶片用碳纤维与玻璃纤维相比更小的静应变（0.5）更小的比重（0.6）更高的模量（3）更高的强度（1.5）碳纤维玻璃纤维叶片用碳纤维复合材料与玻璃纤维复合材料相比：更高的比模量(4)更高的比强度(2.7)更小的比重(0.8)更高的模量(3)更高的强度(2)碳纤维复合材料玻璃纤维复合材料碳纤维在风电叶片中的应用优势中国复合材料集团有限公司轮毂重量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中国复合材料集团有限公司轮毂重量/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$4.25/kg轮毂质量kg叶片质量，kg碳纤维在风电叶片中的应用优势中国复合材料集团有限公司当主梁使用碳纤维增强复合材料时，与玻璃钢叶片比较，叶片重量减轻12%，且具有更高刚性，更高耐疲劳性。更低运输安装成本以及维修成本，延长风机使用寿命带来的成本的降低等优势。只在大梁处用碳纤维复合材料替换玻璃纤维复合材料大梁:GFRP大梁:CFRP根据东丽风能研究所资料(1.5MW)玻纤和碳纤在风电叶片上使用的比较中国复合材料集团有限公司叶片WEI57-3000GWEI57-3000G2低扰度WEI57-3000C长度(m)575757风轮直径(m)116116116额定功率(MW)3.03.03.0外壳材料环氧树脂浸渍无碱玻璃纤维环氧树脂浸渍无碱玻璃纤维环氧树脂浸渍无碱玻璃纤维主梁材料浸渍玻璃纤维浸渍玻璃纤维碳纤维预浸料主梁设计盒式梁(2腹板)盒式梁（2腹板）工字梁（1腹板）材料质量(Kg)主梁碳纤维预浸料001,298主梁干玻纤+浸渍树脂4,7257,2010所有其他玻纤+树脂8,2137,9047,716巴尔沙木875750926PVC泡沫235235235粘合剂286286286总计14,33416,37610,461叶片成本主要材料成本($)碳纤维预浸料23.5/kg$-$-$30,503干玻纤3/kg$28,332$33,077$16,896环氧树脂7/kg$24,460$28,556$14,587巴尔沙木15/kg$13,125$11,250$13,890PVC泡沫12/kg$2,820$2,820$2,820粘合剂13.5/kg$3,861$3,861$3,861总计$72,599$79,564$82,557-27%+14%减重27%成本增加14%仅针对材料成本玻纤和碳纤在风电叶片上使用的比较（57m叶片）中国复合材料集团有限公司仅针对材料成本*包括碳纤维/玻璃纤维混合材料蒙皮中的1085kg碳纤维叶片WEI74-7000GWEI74-7000CWEI74-7000C2长度(m)747474风轮直径(m)153153153额定功率(MW)777外壳材料环氧树脂浸渍无碱玻璃纤维环氧树脂浸渍无碱玻璃纤维环氧树脂浸渍碳纤维/玻璃纤维主梁材料浸渍玻璃纤维碳纤维预浸料碳纤维预浸料主梁设计盒式梁（2腹板）工字梁（1腹板）工字梁(1腹板)材料质量(Kg)主梁碳纤维预浸料03,5983,598主梁干玻纤+浸渍树脂14,28100所有其他玻纤+树脂23,41323,83118,322*巴尔沙木2,1252,3441,377PVC泡沫9201,0401,040粘合剂620480480总计41,36031,29325,201叶片成本主要材料成本($)碳纤维预浸料23.5/kg$-$75,558$83,622干玻纤3/kg$82,517$51,254$59,165*环氧树脂7/kg$80,490$52,920$39,819芯材15/kg$23,800$26,250$15,422粘合剂12/kg$11,590$13,618$13,618根部紧固件13.5/$10,415$8,064$8,064总计$208,812$227,664$219,710-24%-39%+9%+5%玻纤和碳纤在风电叶片上使用的比较（74m叶片）中国复合材料集团有限公司叶片WEI90-10K-G1WEI90-10K-CWEI90-10K-C2长度(m)909090风轮直径(m)185185185额定功率(MW)10.010.010.0外壳材料环氧树脂浸渍无碱玻璃纤维环氧树脂浸渍无碱玻璃纤维环氧树脂浸渍碳纤维/玻璃纤维主梁材料浸渍玻璃纤维碳纤维预浸料碳纤维预浸料主梁设计盒式梁(2腹板)工字梁（1腹板）工字梁（1腹板）材料质量(Kg)主梁碳纤维预浸料04,5003,850主梁干玻纤+浸渍树脂21,15000外壳干碳纤维+浸渍树脂003,700所有其他玻纤+树脂27,39926,74712,750巴尔沙木