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1、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 1 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 2 全球风电产业发展现状 全球风电产业发展现状 5 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 6 主机商 金风 3MW 6MW 华锐 3MW 5MW 6MW 联合动力 3MW 6MW 明
2、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 7 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 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
3、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 9 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 10 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 11 风轮直径 陆上风机 海上风机 风力发电机成长与发展之路 5MW 3 6MW 10MW 2 5MW 1 5MW 75
4、0KW 500KW 300KW 100KW 50KW 米 碳纤维在风电叶片中的应用优势 12 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 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
5、维材料 14 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 15 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 16 在设计时
6、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 疲劳性能 17 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 18 19 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 19 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
7、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 20 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 21 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 ofCyclesN 6005004003002001000 MaximumSressSMPa 25002000150010005000 应力范围 E glass epoxy Vf 53 Lay upand 0 materi
8、al 45 0 S 64 0 Laminatefabricatedby MSU 22 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 23 等效破坏疲劳负载 碳纤维在风电叶片中的应用优势 24 25 叶片用碳纤维与玻璃纤维相比 叶片用碳纤维复合材料与玻璃纤维复合材料相比 碳纤维在风电叶片中的应用优势 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 26 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 5
9、680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 27 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 28 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 29 仅针对材料成本 包括碳纤维 玻璃纤维混合材料蒙皮中的1085k
10、g碳纤维 24 39 9 5 玻纤和碳纤在风电叶片上使用的比较 74m叶片 30 仅针对材料成本 32 55 7 0 碳纤维叶片质量较轻 成本与玻璃纤维叶片相近 玻璃纤维 53mt碳纤维 36mt碳纤维2 24mt C G蒙皮 玻纤和碳纤在风电叶片上使用的比较 90m叶片 31 中国复材6MW 65m纯玻纤叶片28吨 碳纤维叶片20吨 减重30 碳纤维叶片 LM5MW61 5m 17 74吨 Gamesa2MW44m 5 8吨 连众39 2m 5 8吨 Vestas3MW44m 6吨 重量比较 碳纤维在风电叶片中的应用优势 32 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
11、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 33 叶片根部增加叶片的抗弯矩 承力主梁提高叶片的强度和刚度 蒙皮或外壳部分增强叶片的表面强度和耐腐蚀性能 原料 单向碳纤维预浸料和碳纤维多轴向织物 工艺 真空辅助成型工艺 VARTM 或树脂膜渗透 RFI 工艺 碳纤维在叶片中的主要应用部位和作用 碳纤维在叶片中应用的技术发展 34 碳纤维复合材料主梁结构形式 全碳纤维复合材料主梁 碳 玻璃混合纤维复合材料主梁截面示意图 碳 玻璃混合纤维复合材料主梁 碳纤维在叶片中应用的技术发展 35 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
12、力和扭矩 并且降低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 碳纤维在叶片中应用的技术发展 36 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 碳纤维在叶片中应用的技术发展 37 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
13、在叶片中应用的技术发展 38 碳纤维应用到叶尖部位 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 碳纤维在叶片中应用的技术发展 39 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 碳纤维在叶片中应用的技术发展 40 CFRP不透明 难以用肉眼进行内部检查 需借助无损检测技术进
14、行质量检测 无损检测手段 超声 声发射 红外等 碳纤维叶片的无损检测应用 超声无损检测碳纤维主梁 41 碳纤维复合材料梁的应用实例 42 解决方案 价格高 性价比影响了它在风力发电上的大范围应用 技术问题 直径较小的碳纤维表面积较大 成型加工比较困难 大丝束碳纤维不易展开 使强度及刚度等性能受影响 制约碳纤维在大型风电叶片应用的因素 研究大丝束碳纤维的应用技术研究真空灌注工艺用树脂体系研究碳 玻混杂复合材料 43 未来碳纤维在全球风电叶片领域的估测用量 单位 吨 未来碳纤维在风电领域的用量估测 碳纤维在风电行业中的应用前景 目前碳纤维价格较前几年有大幅度的降低 风电叶片对碳纤维的需求将越来越多
15、 Zoltek公司多年来为风电叶片领域供应了约2万吨大丝束碳纤维 44 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 45 2005年 中国复材成功自德国引进1 5MW风力机叶片技术 率先成为国内能够自主生产兆瓦级风机叶片的大型企业 2007年1月6日 收购NOI公司正式签约 成立海外全资子公司并设立研发中心 正式开展国际化经营 黑龙江富锦风场 坝上风场 威海风场 中国复材 风电叶片 46 可规模生产1 25MW 6MW 9个系列近30个型号风电叶片 3MW 5MW 6MW叶片已成功应用于海上风电场 5MW叶片于2
16、012年通过GL认证 62m 6MW海上风电叶片于2011年10月在江苏盐城完成装机 10MW的风电机组正在设计中 已经连续三年市场占有率达到20 以上 中国复材 风电叶片 47 一个研发中心5个生产基地 具备年产1万片MW级叶片的生产能力 风机叶片制造方面 获得10项发明专利23项实用新型专利 共承担了9项国家级科技项目 13项省级科技和产业化项目 中国复材 风电叶片 48 结束语 随着国家对风电等可再生能源发展的有力支持 推进了风力发电等可再生能源的产业化进程 为我国的大型复合材料叶片及高性能纤维材料产业提供了一个不可多得的发展机遇 除最大型的叶片外 叶片结构材料成本可能会随着碳纤维的增加而增加 当考虑到其它问题如轮毂重量 运输 吊装和长期对机组载荷的降低作用时 碳纤维材料能减少风电场的系统成本 49 谢谢 50 1
