碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用摘要：為了降低風(fēng)電單位成本，風(fēng)機功率不斷提高，隨之葉片長度也不斷增加，使碳纖維在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用成為必然。介紹了碳纖維在風(fēng)電葉片上應(yīng)用的優(yōu)勢和不足，以及解決的技術(shù)途徑。關(guān)鍵詞：風(fēng)電機葉片；風(fēng)力發(fā)電；碳纖維增強復(fù)合材料ABSTRACT：Inordertoreduceper-unitwindpowercost,turbinepoweriscontinuouslyrising,whichleadtobiggerbladelength,sotheapplicationofcarbonfiberinwindturbinebladeisinevitable.Thispaperintroducestheadvantagesanddisadvantagesofcarbonfiberinwindturbineblade,andgivesthewaystosettlethem.KEYWORDS:windturbineblade;windpower;carbonfiberreinforcedcomposite1風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展風(fēng)電的價格和風(fēng)機功率成反比，風(fēng)機功率越大，單位發(fā)電成本越低（表1）。隨著現(xiàn)代風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展及日趨成熟，風(fēng)力發(fā)電機組研究沿著增大單機容量、減輕單位千瓦質(zhì)量、提高轉(zhuǎn)換效率的方向發(fā)展。上世紀(jì)80年代早期到中期，典型的風(fēng)電機組單機容量僅20～60kW；90年代初期，增加到500kW；90年代中期，為750kW~1MW；90年代末，已達(dá)到2.5MW；目前世界平均單機容量為1MW，最大單機容量為5MW。預(yù)計2010年將開發(fā)出單機容量為10MW的風(fēng)電機組。葉片是風(fēng)力機的關(guān)鍵部件之一，涉及氣動、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、工藝等領(lǐng)域。葉片的長度和風(fēng)機的功率成正比，風(fēng)機功率越大，葉片越長。對于500kW~2.5MW的風(fēng)力機，葉片長13.5~39.0m（丹麥LMGlasfiber公司制造）；660kW~1.65MW的風(fēng)力機，葉片長23~39m（丹麥VestasWindSystemsAS制造）。在兆瓦級風(fēng)電機組中，如1MW的葉片長31m，每片重約4~5t；1.5MW主力機型風(fēng)力機葉片長34～37m，每片重約6t；目前商業(yè)化風(fēng)力發(fā)電所用的電機容量一般為1.5~2.0MW，與之配套的復(fù)合材料葉片長度大約32~40m，重6~8t；現(xiàn)代的54m大型葉片重l3t。現(xiàn)今世界上最大5MW的風(fēng)力發(fā)電機的葉片長61.5m，單片葉片的質(zhì)量接近18t，旋轉(zhuǎn)直徑可達(dá)126.3m。表1不同風(fēng)葉尺寸、風(fēng)機功率下的風(fēng)電成本對比表年份主力型號風(fēng)機功率/kW風(fēng)葉長度/m風(fēng)電成本/(美元·(kW·h)-1)199220012.00.03199970022.0200090025.00.0620051500-2500（陸基）35.0-45.00.0420053000-5000（?；?5.0-61.50.04葉片也是風(fēng)機中成本最高的部件，雖然它的質(zhì)量不到風(fēng)機質(zhì)量的15%。卻占風(fēng)機成本的15%～20%。風(fēng)葉類似于航空葉片，要求提高“提升比”（Lift-to-dragratio），并且其提升特性不易受葉片表面污染和粗糙度影響。從結(jié)構(gòu)考慮要求葉片有較厚的葉型。葉片要經(jīng)受20a應(yīng)用，以經(jīng)受風(fēng)力造成的疲勞次數(shù)達(dá)108（也有以500萬次作標(biāo)準(zhǔn)）作標(biāo)準(zhǔn)。隨著風(fēng)機功率的增加，風(fēng)葉尺寸也相應(yīng)增加。表1所示為不同年份風(fēng)機功率、風(fēng)葉尺寸和風(fēng)電價格的變化趨勢[1-3]。2碳纖維在風(fēng)力發(fā)電機葉片中的應(yīng)用當(dāng)葉片長度增加時，質(zhì)量的增加要快于能量的提取，因為質(zhì)量的增加和風(fēng)葉長度的立方成正比（圖1），而風(fēng)機產(chǎn)生的電能和風(fēng)葉長度的平方成正比。同時隨著葉片長度的增加，對增強材料的強度和剛度等性能提出了新的要求，玻璃纖維在大型復(fù)合材料葉片制造中逐漸顯現(xiàn)出性能方面的不足。為了保證在極端風(fēng)載下葉尖不碰塔架，葉片必須具有足夠的剛度。減輕葉片的質(zhì)量，又要滿足強度與剛度要求，有效的辦法是采用碳纖維增強。國外專家認(rèn)為：“由于現(xiàn)有材料能很好滿足大功率風(fēng)力發(fā)電裝置的需求，玻璃纖維復(fù)合材料性能已經(jīng)趨于極限，因此，在發(fā)展更大功率風(fēng)力發(fā)電裝置和更長轉(zhuǎn)子葉片時，采用性能更好的碳纖維復(fù)合材料勢在必行?！彼麄冋J(rèn)為當(dāng)風(fēng)力機超過3MW、葉片長度超過40m時，葉片制造時采用碳纖維已成為必要的選擇。事實上，當(dāng)葉片超過一定尺寸后，碳纖維葉片反而比玻璃纖維葉片便宜，因為材料用量、勞動力、運輸和安裝成本等都下降了[4]。目前國外把碳纖維用于葉片制造的廠家主要有：（1）丹麥LMGlassfiber“未來”葉片家族中61.5m長、5MW風(fēng)機的葉片MW發(fā)電機且為39m長的葉片質(zhì)量相同。同樣是34m長的葉片，采用玻璃纖維增強聚脂樹脂時質(zhì)量為5800kg，采用玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂時質(zhì)量為5200kg，而采用碳纖維增強環(huán)氧樹脂時質(zhì)量只有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纖維所制得的風(fēng)機葉片質(zhì)量比采用玻璃纖維的輕約32%，而且成本下降約16%。圖4為完全碳纖維葉片和目前歐洲商業(yè)化的葉片質(zhì)量比較圖。(2)提高葉片抗疲勞性能風(fēng)機總是處在條件惡劣的環(huán)境中，并且24h處于工作狀態(tài)。這就使材料易于受到損害。相關(guān)研究表明，碳纖維合成材料具有出眾的抗疲勞特性，當(dāng)與樹脂材料混合時，則成為了風(fēng)力機適應(yīng)惡劣氣候條件的最佳材料之一。（3）使風(fēng)機的輸出功率更平滑更均衡,提高風(fēng)能利用效率使用碳纖維后，葉片質(zhì)量的降低和剛度的增加改善了葉片的空氣動力學(xué)性能，減少對塔和輪軸的負(fù)載，從而使風(fēng)機的輸出功率更平滑更均衡，提高能量效率。同時，碳纖維葉片更薄，外形設(shè)計更有效，葉片更細(xì)長，也提高了能量的輸出效率。（4）可制造低風(fēng)速葉片碳纖維的應(yīng)用可以減少負(fù)載和增加葉片長度，從而制造適合于低風(fēng)速地區(qū)的大直徑風(fēng)葉，使風(fēng)能成本下降。（5）可制造自適應(yīng)葉片（“self-adaptive”blade）葉片裝在發(fā)電機的輪軸上，葉片的角度可調(diào)。目前主動型調(diào)節(jié)風(fēng)機（activeutility-sizewindturbines）的設(shè)計風(fēng)速為13~15m/s(29~33英里/h)，當(dāng)風(fēng)速超過時，則調(diào)節(jié)風(fēng)葉斜度來分散超過的風(fēng)力，防止對風(fēng)機的損害。斜度控系統(tǒng)對逐步改變的風(fēng)速是有效的。但對狂風(fēng)的反應(yīng)太慢了，自適應(yīng)的各向異性葉片可幫助斜度控制系統(tǒng)（thepitchcontrolsystem），在突然的、瞬間的和局部的風(fēng)速改變時保持電流的穩(wěn)定。自適應(yīng)葉片充分利用了纖維增強材料的特性，能產(chǎn)生非對稱性和各向異性的材料，采用彎曲/扭曲葉片設(shè)計，使葉片在強風(fēng)中旋轉(zhuǎn)時可減少瞬時負(fù)載。美國SandiaNationalLaboratories致力于自適應(yīng)葉片研究，使1.5MW風(fēng)機的發(fā)電成本降到4.9美分/(kW·h)，價格可和燃料發(fā)電相比。（6）利用導(dǎo)電性能避免雷擊利用碳纖維的導(dǎo)電性能，通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可有效地避免雷擊對葉片造成的損傷。（7）降低風(fēng)力機葉片的制造和運輸成本由于減少了材料的應(yīng)用，所以纖維和樹脂的應(yīng)用都減少了，葉片變得輕巧，制造和運輸成本都會下降?？煽s小工廠的規(guī)模和運輸設(shè)備。（8）具有振動阻尼特性碳纖維的振動阻尼特性可避免葉片自然頻率與塔暫短頻率間發(fā)生任何共振的可能性[5-7]。5碳纖維應(yīng)用的主要問題和解決途徑5.1碳纖維應(yīng)用的主要問題碳纖維應(yīng)用有以下主要問題需要解決：（1）碳纖維是一種昂貴纖維材料，在碳纖維應(yīng)用過程中，價格是主要障礙，價比影響了它在風(fēng)力發(fā)電上的大范圍應(yīng)用。（2）CFRP比GFRP更具脆性，一般被認(rèn)為更趨于疲勞，但是研究表明，只要注意生產(chǎn)質(zhì)量的控制以及材料和結(jié)構(gòu)的幾何條件，就足以保證長期的耐疲勞。（3）直徑較小的碳纖維表面積較大，復(fù)合材料成型加工浸潤比較困難。由于碳纖維葉片一般采用環(huán)氧樹脂制造，要通過降低環(huán)氧樹脂制造的黏度而不降低它的力學(xué)性能是比較困難的，這也是一些廠家采用預(yù)浸料工藝的原因。此外碳纖維復(fù)合材料的性能受工藝因素影響敏感（如鋪層方向），對工藝要求較高。（4）碳纖維復(fù)合材料透明性差，難以進(jìn)行內(nèi)部檢查。5.2解決途徑碳纖維在大型葉片中的應(yīng)用已成為一種不可改變的趨勢。目前，全球各大葉片制造商正在從原材料、工藝技術(shù)、質(zhì)量控制等各方面進(jìn)行深入研究，以求降低成本，使碳纖維能在風(fēng)力發(fā)電上得到更多的應(yīng)用。可通過如下的途徑來促進(jìn)碳纖維在力發(fā)電中的應(yīng)用。(1)用碳纖維代替玻璃纖維葉片尺寸越大，相對成本越低。碳纖維更適于3MW（40m）以上，尤其是5MW以上的產(chǎn)品。因為材料用量下降，才能比玻璃纖維葉片更便宜。另外可采用從瀝青制造的低成本碳纖維，這種碳纖維的價格可以降到每磅5美元的心理價位。下一代采用輕質(zhì)、高性能碳纖維葉片的5~10MW風(fēng)力機，設(shè)計更加可靠，市場競爭力也更強。(2)采用特殊的織物混編技術(shù)根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)要求，把碳纖維鋪設(shè)在剛度和強度要求最高的方向，達(dá)到結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計。如TPI公司采用碳纖維織物為800g3軸向織物（triaxialfabric），由1層500g0°T-600碳纖維夾在2層150g成±45°的玻纖織物內(nèi)。對于原型葉片中，碳纖維成20°，玻纖層的3軸向織物為+65°和-25°，這種方向的鋪層可充分地控制剪切負(fù)載。旋轉(zhuǎn)織物意味著織物邊沿和葉片方向成20°，逐步地引入旋轉(zhuǎn)耦合部件（thetwist-couplingcomponent）。(3)采用大絲束碳纖維葉片生產(chǎn)中，采用大絲束碳纖維可達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的。如一種新型丙烯酸碳纖維（美國專利US6103211），該發(fā)明的目的在于提供一種高強度的碳纖維，這種碳纖維適用于風(fēng)力機葉片材料等與能源相關(guān)的設(shè)備。(4)采用新型成型加工技術(shù)在目前的生產(chǎn)中，預(yù)浸料和真空輔助樹脂傳遞模塑工藝已成為2種最常用替代濕法鋪層技術(shù)；對于40m以上葉片，大多數(shù)制造商采用VARTM技術(shù)。但VESTAS和GAMESA仍使用預(yù)浸料工藝。技術(shù)關(guān)鍵是控制樹脂粘度、流動性、注入孔設(shè)計和減少材料孔隙率。在大型葉片制造中，由于碳纖維的使用，聚酯樹脂已被環(huán)氧樹脂替代。利用天然纖維－熱塑性樹脂制造的“綠色葉片”近年來也倍受重視，如愛爾蘭的Gaoth公司已負(fù)責(zé)制造12．6m長的熱塑性復(fù)合材料葉片，Mitsubishi(三菱)公司將負(fù)責(zé)在風(fēng)力發(fā)電機上進(jìn)行“綠色葉片的試驗”。如果試驗成功后，他們將繼續(xù)研究開發(fā)30m以上的熱塑性復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)葉片。為了降低模具成本，減輕模具重量，大型復(fù)合材料葉片的制造模具也逐漸由金屬模具向著復(fù)合材料模具轉(zhuǎn)變，這也意味著復(fù)合材料葉片可以做得更長。另外，由于模具與葉片采用了相同的材料，模具材料的熱膨脹系數(shù)與葉片材料基本相同，制造出的復(fù)合材料葉片的精度和尺寸穩(wěn)定性均優(yōu)于金屬模具制造的葉片產(chǎn)品[8-9]。參考文獻(xiàn)[1]JoossePA,VanDelftDRVKenscheChr,HahnF,JacobsenTK,VandenBergRM.EconomicUseofCarbonFibresinLargeWindTurbineBlades[C]//2000Proc.of19thASMEWindEnergySymposium.2000:367-374.[2]CompositesforWindEnergy[C]//ReinforcedPlastics,2003:29-45.[3]TheBiggerBlade-theCarbonOption[C]//ReinforcedPlastics,2002:20-30.[4]BladeMakesTurntoCarbon[C]//ReinforcedPlastics,2002:16[5]JanssenLGJ.WindTurbineMaterialsandConstructions[J].JournalofSolarEnergyEngineering,2003(11):125.[6]MansourH,MohamedKyleK,Wetzel.3DWovenCarbon/GlassHybridSparCapforWindTurbineRotorBlade[J].JournalofSolarEnergyEngineering,128(1):562-573.[7]SureshBabu,SubbaRajuV.SrinivasaReddy2Dr.D.NageswaraRao.TheMaterialSelectionforTypicaiWindTurbinfBladsUsingAMadmApproach&AnalysisofBlades[C]//Mcdm2006,Chania,Greece,June,2006:19-23.[8]DaytonA,Griffin,DerekBerry,MichaelD,Zuteck,ThomasD,Ashwill.Developmentof