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(jī)功率不斷提高，隨之葉片長(zhǎng)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(shì)和不足，以及解決的技術(shù)途徑。關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)葉片；風(fēng)力發(fā)電；碳纖維增強(qiáng)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(jià)格和風(fēng)機(jī)功率成反比，風(fēng)機(jī)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(jī)組研究沿著增大單機(jī)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(jī)組單機(jī)容量?jī)H20～60kW；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(jī)容量為1MW，最大單機(jī)容量為5MW。預(yù)計(jì)2010年將開發(fā)出單機(jī)容量為10MW的風(fēng)電機(jī)組。葉片是風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵部件之一，涉及氣動(dòng)、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、工藝等領(lǐng)域。葉片的長(zhǎng)度和風(fēng)機(jī)的功率成正比，風(fēng)機(jī)功率越大，葉片越長(zhǎng)。對(duì)于500kW~2.5MW的風(fēng)力機(jī)，葉片長(zhǎng)13.5~39.0m（丹麥LMGlasfiber公司制造）；660kW~1.65MW的風(fēng)力機(jī)，葉片長(zhǎng)23~39m（丹麥VestasWindSystemsAS制造）。在兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組中，如1MW的葉片長(zhǎng)31m，每片重約4~5t；1.5MW主力機(jī)型風(fēng)力機(jī)葉片長(zhǎng)34～37m，每片重約6t；目前商業(yè)化風(fēng)力發(fā)電所用的電機(jī)容量一般為1.5~2.0MW，與之配套的復(fù)合材料葉片長(zhǎng)度大約32~40m，重6~8t；現(xiàn)代的54m大型葉片重l3t?，F(xiàn)今世界上最大5MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片長(zhǎng)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(jī)功率下的風(fēng)電成本對(duì)比表年份主力型號(hào)風(fēng)機(jī)功率/kW風(fēng)葉長(zhǎng)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（海基）45.0-61.50.04葉片也是風(fēng)機(jī)中成本最高的部件，雖然它的質(zhì)量不到風(fēng)機(jī)質(zhì)量的15%。卻占風(fēng)機(jī)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(jī)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(jī)功率、風(fēng)葉尺寸和風(fēng)電價(jià)格的變化趨勢(shì)[1-3]。2碳纖維在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中的應(yīng)用當(dāng)葉片長(zhǎng)度增加時(shí)，質(zhì)量的增加要快于能量的提取，因?yàn)橘|(zhì)量的增加和風(fēng)葉長(zhǎng)度的立方成正比（圖1），而風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電能和風(fēng)葉長(zhǎng)度的平方成正比。同時(shí)隨著葉片長(zhǎng)度的增加，對(duì)增強(qiáng)材料的強(qiáng)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(qiáng)度與剛度要求，有效的辦法是采用碳纖維增強(qiáng)。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(zhǎng)轉(zhuǎn)子葉片時(shí)，采用性能更好的碳纖維復(fù)合材料勢(shì)在必行?！彼麄冋J(rèn)為當(dāng)風(fēng)力機(jī)超過3MW、葉片長(zhǎng)度超過40m時(shí)，葉片制造時(shí)采用碳纖維已成為必要的選擇。事實(shí)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?yàn)椴牧嫌昧?、勞?dòng)力、運(yùn)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(zhǎng)、5MW風(fēng)機(jī)的葉片MW發(fā)電機(jī)且為39m長(zhǎng)的葉片質(zhì)量相同。同樣是34m長(zhǎng)的葉片，采用玻璃纖維增強(qiáng)聚脂樹脂時(shí)質(zhì)量為5800kg，采用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂時(shí)質(zhì)量為5200kg，而采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂時(shí)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(jī)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(jī)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(shí)，則成為了風(fēng)力機(jī)適應(yīng)惡劣氣候條件的最佳材料之一。（3）使風(fēng)機(jī)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(dòng)力學(xué)性能，減少對(duì)塔和輪軸的負(fù)載，從而使風(fēng)機(jī)的輸出功率更平滑更均衡，提高能量效率。同時(shí)，碳纖維葉片更薄，外形設(shè)計(jì)更有效，葉片更細(xì)長(zhǎng)，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(zhǎng)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(jī)的輪軸上，葉片的角度可調(diào)。目前主動(dòng)型調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)（activeutility-sizewindturbines）的設(shè)計(jì)風(fēng)速為13~15m/s(29~33英里/h)，當(dāng)風(fēng)速超過時(shí)，則調(diào)節(jié)風(fēng)葉斜度來分散超過的風(fēng)力，防止對(duì)風(fēng)機(jī)的損害。斜度控系統(tǒng)對(duì)逐步改變的風(fēng)速是有效的。但對(duì)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(shí)保持電流的穩(wěn)定。自適應(yīng)葉片充分利用了纖維增強(qiáng)材料的特性，能產(chǎn)生非對(duì)稱性和各向異性的材料，采用彎曲/扭曲葉片設(shè)計(jì)，使葉片在強(qiáng)風(fēng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)可減少瞬時(shí)負(fù)載。美國SandiaNationalLaboratories致力于自適應(yīng)葉片研究，使1.5MW風(fēng)機(jī)的發(fā)電成本降到4.9美分/(kW·h)，價(jià)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(jì)，可有效地避免雷擊對(duì)葉片造成的損傷。（7）降低風(fēng)力機(jī)葉片的制造和運(yùn)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(yùn)輸成本都會(huì)下降?？煽s小工廠的規(guī)模和運(yùn)輸設(shè)備。（8）具有振動(dòng)阻尼特性碳纖維的振動(dòng)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(jià)格是主要障礙，價(jià)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(zhǎng)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(rùn)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(duì)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(shì)。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?？赏ㄟ^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(duì)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?yàn)椴牧嫌昧肯陆担拍鼙炔ＡЮw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(jià)格可以降到每磅5美元的心理價(jià)位。下一代采用輕質(zhì)、高性能碳纖維葉片的5~10MW風(fēng)力機(jī)，設(shè)計(jì)更加可靠，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力也更強(qiáng)。(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(qiáng)度要求最高的方向，達(dá)到結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(duì)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(qiáng)度的碳纖維，這種碳纖維適用于風(fēng)力機(jī)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(duì)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(dòng)性、注入孔設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(jī)上進(jìn)行“綠色葉片的試驗(yàn)”。如果試驗(yàn)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(zhǎng)。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