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碳纤维在风电叶片中的应用
chinacir.com.cn   2009-4-9      文字大小:[ ]  收藏本页
     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。
    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)。