碳纤维在风电叶片中的应用

    1.风力发电技术的发展
    风电的价格和风机功率成反比，风机率越大，单位发电成本越低（表l）。随着现代风电技术的发展与日趋成熟，风力发电机组的技术沿着增大单机容量、减轻单位千瓦重量、提高转换效率的方向发展。上世纪80年代早期到中期，典型的风电机组单机容量仅20～60kw；从80年代末期到90年代初期，风电机组单机容量从100kw增加到达500kw；到90年代中期，典型的风电机组单机容量为750-1MW；到90年代末，风电机组单机容量已经达到2.5MW；目前已达3.5MW以上，世界平均单机容量为1Mw，最大单机容量为5Mw。预计2010年将开发出10MW的风电机组。 
    叶片是风力机的关键部件之一，涉及气动、复合材料结构、工艺等领域。叶片的长度和风机的功率成正比，风机功率越大，叶片越长。对于500kw-2.5MW的风力机，叶片长13.5－39米（丹麦LM Glasfiber公司制造）；660kw-1.65MW的风力机，叶片长23－39米（丹麦 Vestas Wind SystemsAS制造）。在兆瓦级风电机组中，如1MW的叶片长31米，每片重约4-5t；1.5MW 主力机型风力机叶片长34～37m，  每片重约6t；目前商业化风力发电所用的电机容量一般为1.5—2.0MW，与之配套的复合材料叶片长度大约32—40米，重6-8t；现代的54m大型叶片重13t。现今世界上最大5MW的风力发电机的叶片长61.5米，单片叶片的重量接近18 t，旋转直径可达126.3米。

    叶片也是风机中成本最高的部件，虽然它的重量不到风机重量的15％。Peter Jamieson认为风叶成本约占风电成本的10％。 风叶类似于航空叶片，要求提高提升比（Lift－to－drag ratio），并且其提升特性不易受叶片表面污染和粗糙度影响。从结构考虑要求叶片有较厚的叶型。叶片要经受20年应用，以受风力造成的疲劳次数达10（也有以500万次作标准）。随着风机功率的增加，风叶尺寸也相应增加。表1所示为不同年份风机功率、风叶尺寸和风电价格的变化趋势。风电材料设备
    2.碳纤维在风力发电机叶片中的应用
    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（图1），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，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：
    ＊ 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；
    ＊ 德国叶片制造商Nordex Rotor新制造的56米长，5MW风机叶片的整个梁结构也采用了碳纤维，他们认为叶片超过一定尺寸后，碳纤维叶片的制作成本并不比玻纤的高；

    ＊ Vestas Wind System 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。2004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 Inc在股东大会上宣布对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；
    ＊ 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7t。
    ＊ NEG Micon在40米的叶片中采用了碳纤维增
    ＊ 德国Enercon GmbH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，以求得最大的能量获得，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逐年在增加（图2）
　　3.碳纤维在风力发电机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，碳纤维只是用到一些关键的部分。碳纤维在叶片中应用的主要部位有（图3和图4）：
    ＊ 横梁（Spar），尤其是横梁盖（Spar Caps）。
    ＊ 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），如图3中涂黑的部分采用碳纤维。（专利 EP1485611）
    ＊ 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）。

   4.碳纤维在风力发电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％。表2所示为玻纤和碳纤及复合材料性能比较。图5为完全碳纤维叶片和目前欧洲商业化的叶片重量比较。
   （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最佳材料之一。
   （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 to 15m／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（the pitch 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”blade）研究，使1.5W风能从每kwh5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达击
    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。
    5.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/lb 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最高的方向，达到结构的最优化设计。如TPI公司采用碳纤维织物为800g 三轴 向织物（triaxial fabric），由一层500g0°T－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20°，玻纤层的三轴向织物为土65°and-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）采用大丝来碳纤维。碳纤好牛产成本高，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＞／＝11.l－0.75d，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，须浸料和真空辅助树脂传递模塑工艺已成为两种最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；利用大然纤维-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公司已负责制造12.6米长的热塑性复合材料叶片，Mitsubishi（三菱）公司将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。 
    为了降低模具成本，减轻模具重量，大型复合材料叶片的制造模具也逐渐由金属模具向着复合材料模具转变，这也意味着复合材料叶片可以做得更长。另外，由于模具与叶片采用了相同的材料，模具材料的热膨胀系数与叶片材料基本相同，制造出的复合材料叶片的精度和尺寸稳定性均优于金属模具制造的叶片产品。