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1、碳纤维在风力发电机叶片中的应用1. 在风机叶片中的应用 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，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
2、，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：(1) 丹麦LM Glassfiber“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。(2) 德国叶片制造商Nordex Rotor公司。(3) Vestas Wind System公司 在他们制造的44米长、 V-90 3.0 MW风电机中的叶片的梁采用了碳纤维。20
3、04年12 月 Zoltek Companies Inc.宣布与 Vestas wind Systems AS 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;Zoltek Companies公司宣布对NEG Micon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Panex33 48K。(4) 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7吨。(5) NEG Micon在40米的叶片中采用了碳
4、纤维。德国Enercon公司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.Department of Energy )的 75 万美元，作为研发资金，和 TPI Composites 公司合作，发展碳纤维风机叶片，以求得较 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正在逐年增加。2. 碳纤维在风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
5、用到一些关键的部分。碳纤维在 叶片中应用的主要部位有：(1) 横梁(Spar)，尤其是横梁盖(Spar Caps)。(2) 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) 。(3) 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)。3. 碳纤维在风机叶片中应用的优势 碳纤维的应用优势：(1) 提高叶片刚度，减轻叶片重量 碳纤维的密度比玻璃纤维小约 30%，强度大 40%， 尤其是模量高 3 至8倍。大型叶片采用碳纤维增强可充分发 挥其高弹轻质的优点。荷兰戴尔弗理工大学研究表明，一个 旋转直径为 120 米的
6、风机的叶片，由于梁的质量超过叶片总 质量的一半，梁结构采用碳纤维，和采用全玻纤的相比，重 量可减轻 40%左右;碳纤维复合材料叶片刚度是玻璃纤维复 合材料叶片的两倍。据分析，采用碳/玻混杂增强方案，叶片 可减重20%30%。Vesta Wind System公司的V90 3 Mw发电机的叶片 长44m，采用碳纤维代替玻璃纤维的构件，叶片质量与该公 司V80 2 MW发电机且为39米长的叶片质量相同。同样是 34m长的叶片，采用玻璃纤维增强聚脂树脂时质量5800kg， 采用玻璃纤维增强环氧树脂时质量5200kg，而采用碳纤维 增强环氧树脂时质量只有3800kg。其他的研究也表明，添加 碳纤维所制
7、得的风机叶片质量比玻璃纤维的轻约 32%，而且 成本下降约 16%。(2) 提高叶片抗疲劳性能风机总是处在条件恶劣的环境中，并且 24 小时的 处于工作状态。这就使材料易于受到损害。相关研究表明， 碳纤维合成材料具有出众的抗疲劳特性，当与树脂材料混合 时，则成为了风力机适应恶劣气候条件的较佳材料之一。(3) 使风机的输出功率更平滑更均衡，提高风能利用 效率使用碳纤维后，叶片重量的降低和刚度的增加改善 了叶片的空气动力学性能，减少对塔和轮轴的负载，从而使 风机的输出功率更平滑和更均衡，提高能量效率。同时，碳 纤维叶片更薄，外形设计更有效，叶片更细长，也提高了能 量的输出效率。(4) 可制造低风速
8、叶片碳纤维的应用可以减少负载和增加叶片长度，从而 制造适合于低风速地区的大直径风叶，使风能成本下降。(5) 可制造自适应叶片叶片装在发电机的轮轮上，叶片的角度可调。目前 主动型调节风机(active utility-size wind turhines)的设计风速 为13 tol5m/sec(29 to 33mph),当风速超过时，则调节风叶斜 度来分散超过的风力，防止对风机的损害。斜度控制系统对 逐步改变的风速是有效的。但对狂风的反应太慢了，自适应 的各向异性叶片可帮助斜度控用系统(thepitch control system)，在突然的、瞬间的和局部的风速改变时保持电流的 稳定。自适应叶
9、片充分利用了纤维增强材料的特性，能产生 非对称性和各向异性的材料，采用弯曲/扭曲叶片设计，使叶 片在强风中旋转时可减少瞬时负载。美国 Sandia National Laboratories致力于自适应叶片(“adzptive”b研究)，使 1.5W 风能从每 KWh 5 美分降到 4.9 分，价格可和燃料发电 相比。(6) 利用导电性能避免雷击利用碳纤维的导电性能，通过特殊的结构设计，可 有效地避免雷击对叶片造成的损伤。(7) 降低风力机叶片的制造和运输成本由于减少了材料的应用，所以纤维和树脂的应用都 减少了，叶片变得轻巧，制造和运输成本都会下降。可缩小 工厂的规模和运输设备。(8) 具有振
10、动阻尼特性。碳纤维的振动阻尼特性可避 免叶片自然频率与塔暂短频率间发生任何共振的可能性。4. 碳纤维应用的主要问题和解决途径 碳纤维应用的缺陷：(1)碳纤维是一种昂贵纤维材料，在碳纤维应用过程 中，价格是主要障碍，另外，性价比影响了它在风力发电上 的大范围应用。必须当叶片超过一定尺寸后，因为材料用量 下降，才能比玻纤叶片便宜。目前采用碳纤维和玻璃纤维共 混结构是一种比较好的办法，而且还综合了两种材料的性 能。另外一种方法是采用从沥青制造的成本较低的碳纤维， 这种碳纤维的价格可以降到 5 美元/磅的心理价位。(2)CFRP 比 GFRP 更具脆性，一般被认为更趋于疲 劳，但是研究表明，只要注意生
11、产质量的控制以及材料和结 构的几何条件，就可足以保证长期的耐疲劳。(3) 直径较小的碳纤维表面积较大，复合材料成型 加工浸润比较困难。由于碳纤维叫、片一般采川环氧树脂制 造，要通过降低环氧树脂制造的熟度而不降低它的力学性能 是比较困难的，这也是一些厂家采用预浸料工艺的原因。此 外碳纤维复合材料的性能受工艺眼影响敏感 (如铺层方向)， 对工艺要求较高。(4) 碳纤维复合材料透明性差，难以进行内部检查。 但碳纤维在大型叶片中的应用已成为一种不可改 变的趋势。目前，全球各大叶片制造商正在从原材料、工艺 技术、质量控制等各方面进行深入研究，以求降低成本，使 碳纤维能在风力发电上得到更多的应用。可通过如
12、下的途径 来促进碳纤维在风力发电中的应用：1) 叶片尺寸越大，相对成本越低。因此对于 3MW(40m)以上，尤其是5MW以上的产品。目前大规模安 装的2.5-3.5MW机组采用了轻质、高性能的玻璃纤维叶片， 设计可靠，市场竞争力强，下一代5 -10MW 风力机的设计将 更多的采用碳纤维。2) 采用特殊的织物混编技术。根据叶片结构要求， 把碳纤维铺设在刚度和强度要求较高的方向，达到结构的较 优化设计。如 TPI 公司采用碳纤维织物为 800g 三轴向织物 (triaxial fabric)，由一层 500g0T-600 碳纤维夹在两层 150g 成土 45的玻纤织物内。对于原型叶片中，碳纤维成2
13、0，玻 纤层的三轴向织物为土 65and-25，这种方向的铺层可充分 地控制剪切负载。旋转织物意味着织物边沿和叶片方向成20 角 ， 逐 步 地 引 入 旋 转 耦 合 部 件 (the twist-coupling component)。3) 采用大丝束碳纤维。碳纤生产成本高，特别是高 性能的碳纤维生产成本生高，而叶片生产中，采用大丝束碳 纤维可达到降低生产成本的目的。如一种新型丙烯酸碳纤维 (美国专利 US6103211 申请人： TORAY INDUSTRIES(JP) 该发明的目的在于提供一种高强度的碳纤维，所述的碳纤维 主要包括大量的满足下列关系式的细纤维： sigma/=ll.l0
14、.75d，其中的sigma指碳纤维抗张强度，d指 细纤维的平均直径。这种碳纤维适用于风力机叶片材料等与 能源相关的设备，或者作为道路、大桥的加强结构层。4)采用新型成型加工技术，如VARTM和Light-RTM 技术。在目前的生产中，预浸料和真空辅助树脂传递模塑 工艺已成为两种较常用替代湿法铺层技术;对于 40m 以上叶 片，大多数制造商采用 VARTM 技术。但 VESTAS 和 GAMESA 仍使用预浸料工艺。技术关键是控制树脂粘度、 流动性、注入孔设计和减少材料孔隙率。在大型叶片制造中，由于碳纤维的使用，聚酯树脂 已被环氧树脂来替代;利用天然纤维-热塑性树脂制造的“绿 色叶片”近年来也倍受重视，如爱尔兰的Gnth公司负责制造 12.6米长的热塑性复合材料叶片，Mitsubishi三菱)公司负责 在风力发电机上进行“绿色叶片的试验”。如果试验成功后， 他们将继续研究开发 30 米以上的热塑性复合材料标准叶片
