1.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)率越大，單位發(fā)電成本越低(表l)。隨著現(xiàn)代風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展與日趨成熟，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的技術(shù)沿著增大單機(jī)容量、減輕單位千瓦重量、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;從80年代末期到90年代初期，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量從100kw增加到達(dá)500kw;到90年代中期，典型的風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量為750-1MW;到90年代末，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到2.5MW;目前已達(dá)3.5MW以上，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米(丹麥LMGlasfiber公司制造);660kw-1.65MW的風(fēng)力機(jī)，葉片長(zhǎng)23-39米(丹麥VestasWindSystemsAS制造)。在兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組中，如1MW的葉片長(zhǎng)31米，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―40米，重6-8t;現(xiàn)代的54m大型葉片重13t。現(xiàn)今世界上最大5MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片長(zhǎng)61.5米，單片葉片的重量接近18t，旋轉(zhuǎn)直徑可達(dá)126.3米。

葉片也是風(fēng)機(jī)中成本最高的部件，雖然它的重量不到風(fēng)機(jī)重量的15%。PeterJamieson認(rèn)為風(fēng)葉成本約占風(fēng)電成本的10%。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20年應(yīng)用，以受風(fēng)力造成的疲勞次數(shù)達(dá)10(也有以500萬次作標(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)。

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)，重量的增加要快于能量的提取，因?yàn)橹亓康脑黾雍惋L(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。減輕葉片的重量，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(guó)外專家認(rèn)為，由于現(xiàn)有材料性不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)于葉片時(shí)，采用懺能更好的碳纖維復(fù)合材料是勢(shì)在必行。根據(jù)國(guó)外有關(guān)資料報(bào)道，當(dāng)風(fēng)力機(jī)超過3MW、葉片長(zhǎng)度超過40米時(shí)，在葉片制造時(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纖葉片便宜，因?yàn)椴牧嫌昧?、勞?dòng)力、運(yùn)輸和安裝成本等都下降了。

國(guó)外碳纖維用于葉片制造的廠家主要有：

丹麥LMGlassfiber“未來”葉片家族中61.5米長(zhǎng)、5MW風(fēng)機(jī)的葉片在梁和端部都選用了碳纖維;

德國(guó)葉片制造商N(yùn)ordexRotor新制造的56米長(zhǎng)，5MW風(fēng)機(jī)葉片的整個(gè)梁結(jié)構(gòu)也采用了碳纖維，他們認(rèn)為葉片超過一定尺寸后，碳纖維葉片的制作成本并不比玻纖的高;

VestasWindSystem在他們制造的44米長(zhǎng)、V-903.0MW風(fēng)電機(jī)中的葉片的梁采用了碳纖維。2004年12月ZoltekCompaniesInc.宣布與VestaswindSystemsAS公司訂立長(zhǎng)期戰(zhàn)略合同，在前三年提供價(jià)值8千萬到1億美元的碳纖維用于制造風(fēng)機(jī)葉片;ZoltekCompaniesInc在股東大會(huì)上宣布對(duì)NEGMicon的碳纖維合同將從每年150噸增加一倍。同時(shí)每年分別向Vestas和Ganesa各提供1000噸，所用牌號(hào)為Panex3348K;

西班牙Gamesa在他們旋轉(zhuǎn)直徑為87米(G87)和90米(G90)2MW的風(fēng)機(jī)的葉片中采用了碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，G90葉片長(zhǎng)44米，質(zhì)量約7t。

NEGMicon在40米的葉片中采用了碳纖維增

德國(guó)EnerconGmbH在他們的大型葉片的制造中也使用了碳纖維。

華盛頓的Kirkland公司收到美國(guó)能源部(U.S.DepartmentofEnergy)的75萬美元，作為研發(fā)資金，和TPIComposites公司合作，發(fā)展碳纖維風(fēng)機(jī)葉片，以求得最大的能量獲得，同時(shí)減輕風(fēng)機(jī)的負(fù)載。方案通過對(duì)30-35m長(zhǎng)葉片的設(shè)計(jì)，制造和測(cè)試以證明先進(jìn)的碳纖維混編設(shè)計(jì)的商業(yè)可能性。碳纖維在風(fēng)葉中的應(yīng)用逐年在增加(圖2)

3.碳纖維在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中應(yīng)用的主要部位

由于碳纖維比玻纖昂貴，采用百分之百的碳纖維制造葉片從成本上來說是不合算的。目前國(guó)外碳纖維主要是和玻纖混和使用，碳纖維只是用到一些關(guān)鍵的部分。碳纖維在葉片中應(yīng)用的主要部位有(圖3和圖4)：

橫梁(Spar)，尤其是橫梁蓋(SparCaps)。

前后邊緣，除了提高剛度和降低質(zhì)量外，還起到避免雷擊對(duì)葉片造成的損傷(專利US6457943BI)，如圖3中涂黑的部分采用碳纖

維。(專利EP1485611)

葉片的表面，采用具有高強(qiáng)度特性的碳纖維片材(日本專利JP2003214322)。

4.碳纖維在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

碳纖維的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：

(1)提高葉片剛度，減輕葉片重量

碳纖維的密度比玻璃纖維小約30%，強(qiáng)度大40%，尤其是模量高3至8倍。大型葉片采用碳纖維增強(qiáng)可充分發(fā)揮其高彈輕質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。荷蘭戴爾弗理工大學(xué)研究表明，一個(gè)旋轉(zhuǎn)直徑為120米的風(fēng)機(jī)的葉片，由于梁的質(zhì)量超過葉片總質(zhì)量的一半，梁結(jié)構(gòu)采用碳纖維，和采用全玻纖的相比，重量可減輕40%左右;碳纖維復(fù)合材料葉片剛度是玻璃纖維復(fù)合材料葉片的兩倍。據(jù)分析，采用碳/玻混雜增強(qiáng)方案，葉片可減重20～30%VestaWindSystem公司的V903Mw發(fā)電機(jī)的葉片長(zhǎng)44m，采用碳纖維代替玻璃纖維的構(gòu)件，葉片質(zhì)量與該公司V802MW發(fā)電機(jī)且為39米長(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5800kg，采用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂時(shí)質(zhì)量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)量比玻璃纖維的輕約32%，而且成本下降約16%。表2所示為玻纖和碳纖及復(fù)合材料性能比較。圖5為完全碳纖維葉片和目前歐洲商業(yè)化的葉片重量比較。

(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24小時(shí)的處于工作狀態(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，葉片重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)的輸出功率更平滑和更均衡，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

葉片裝在發(fā)電機(jī)的輪輪上，葉片的角度可調(diào)。目前主動(dòng)型調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)(activeutility-sizewindturhines)的設(shè)計(jì)風(fēng)速為13to15m/sec(29to33mph)，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。斜度控制系統(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用系統(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(guó)SandiaNationalLaboratories致力于自適應(yīng)葉片(“adzptive”blade)研究，使1.5W風(fēng)能從每kwh5美分降到4.9分，價(jià)格可和燃料發(fā)電相比。

(6)利用導(dǎo)電性能避免雷達(dá)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.碳纖維應(yīng)用的主要問題和解決途徑

碳纖維應(yīng)用的缺陷：

(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，另外，性價(jià)比影響了它在風(fēng)力發(fā)電上的大范圍應(yīng)用。必須當(dāng)葉

片超過一定尺寸后，因?yàn)椴牧嫌昧肯陆?，才能比玻纖葉片便宜。目前采用碳纖維和玻璃纖維共混結(jié)構(gòu)是一種比較好的辦法，而且還綜合了兩種材料的性能。另外一種方法是采用從瀝青制造的成本較低的碳纖維，這種碳纖維的價(jià)格可以降到5美元/lb的心理價(jià)位。

(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，就可足以保證長(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。由于碳纖維叫、片一般采川環(huán)氧樹脂制造，要通過降低環(huán)氧樹脂制造的熟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眼影響敏感(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。

但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)碳纖維在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用：

(1)葉片尺寸越大，相對(duì)成本越低。因此對(duì)于3MW(40m)以上，尤其是5MW以上的產(chǎn)品。目前大規(guī)模安裝的2.5-3.5MW機(jī)組采用了輕質(zhì)、高性能的玻璃纖維葉片，設(shè)計(jì)可靠，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)，下一代5-10MW風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)將更多的采用碳纖維。

(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800g三軸向織物(triaxialfabric)，由一層500g0°T-600碳纖維夾在兩層150g成土45°的玻纖織物內(nèi)。對(duì)于原型葉片中，碳纖維成20°，玻纖層的三軸向織物為土65°and-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°角，逐步地引入旋轉(zhuǎn)耦合部件(thetwist-couplingcomponent)。

(3)采用大絲來碳纖維。碳纖好牛產(chǎn)成本高，特別是高性能的碳纖維生產(chǎn)成本生高，而葉片生產(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(guó)專利US6103211申請(qǐng)人：TORAYINDUSTRIES(JP))該發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)度的碳纖維，所述的碳纖維主要包括大量的滿足下列關(guān)系式的細(xì)纖維：sigma>/=11.l-0.75d，其中的sigma指碳纖維抗張強(qiáng)度，d指細(xì)纖維的平均直徑。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，或者作為道路、大橋的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)層。

(4)采用新型成型加工技術(shù)，如VARTM和Light-RTM技術(shù)。

在目前的生產(chǎn)中，須浸料和真空輔助樹脂傳遞模塑工藝已成為兩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)氧樹脂來替代;利用大然纖維-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Gnth公司已負(fù)責(zé)制造12.6米長(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)30米以上的熱塑性復(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。

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