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创新设计 让碳纤维在风电领域应用爆发

北极星风力发电网  来源:澳盛科技    2020/3/18 17:37:48  我要投稿  

北极星风力发电网讯:自从风电成为碳纤维应用量第一大领域,相关行业的人都很关注。起初,人们都把注意力放在汽车领域,但是因为种种原因一直没有发展起来。而不经意间,风电领域异军突起。

这是因为在风电领域的碳纤维材料应用,开发出低成本,适合批量化生产的生产工艺,和应用方式。而这又得从根本上得力于风电的设计变化,正是设计创新,使碳纤维在风电上的应用有了重大的飞跃。 

那么这些年风电的设计有哪些突破呢?

一. 风机的设计变化

早期的风机设备,主要用于农业的提水,磨坊的动力等,而真正的第一台用于工业的风机是美国人CharlesF.Brush发明的。

cd9e3fa28e1afb523457f2744cc75ba3.jpg看看原始的工业风机,是多么的复杂,不谈别的,那么多叶片就叫人头疼。不过也可以理解,直观的概念,叶片越多,接触的风越多,效率越高。直到丹麦人Poul发现,快速转动,叶片数少的风机,比低速转动的风机效率高的多。后来人们又做了很多尝试,最终把叶片数量定在3个,最为有效,这就为现代风机定形。

二. 叶型设计的变化 

从最早的风机上看,叶片的叶型没啥讲究。但随着空气动力学的发展,科学家们对叶片的叶型研究开始重视起来。

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叶片的工作原理

起初叶片叶型的设计通常采用航空上先进的飞机机翼翼型设计方法。

利用航空翼型来设计叶片的形状,起初应用最多的是NACA系列的航空翼型,比如NACA44XX,NA-CA23XX,NACA63XX及NASA LS等。但是这些翼型对前缘粗糙度非常敏感,一旦前缘由于污染变得粗糙,会导致翼型性能大幅度下降,年输出功率损失最高达30%。在认识到航空翼型不太适合于风电叶片后,上世纪80年代中期后,风电发达国家开始对叶片专用翼型进行研究,并成功开发出风电叶片专用翼型系列,比如美国Seri和NREL系列、丹麦RISO-A系列、瑞典FFA-W系列和荷兰DU系列。这些翼型各有优势,Seri系列对翼型表面粗糙度敏感性低;RISO-A系列在接近失速时具有良好的失速性能且对前缘粗糙度敏感性低;FFA-W系列具有良好的后失速性能。风机专用翼型将会在风电叶片设计中广泛应用。

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FFA-W 翼型 

目前在大型叶片中DU翼型和FFA-W翼型应用较多。DU翼型对上表面厚度进行限制,有低粗糙敏感性和低噪声等性能特点。该翼型是应用广泛,从直径29m~100m,最大功率从350kW到3.5MW,如GE,Repower,Dewind, Suzlon, Gamesa, LM, NEG Mico,以及国内的东方电气等多个厂家的风机组都应用过该翼型。

FFA-W翼型具有最大升力系数和升阻比,且在失速工况下具有良好的气动性能,并且对前缘粗糙度不敏感。如目前LM公司已在大型风机叶片上采用瑞典FFA-W翼型。 不同的翼型各有自己的特点,因此在实际使用的叶片中不同部位采取不同的翼型设计。如AAERPAC公司开发生产APX45 叶片,适用于失速调 节和变桨控制的机型 , 叶尖翼型为 NACA632xx, 叶片中部为FFA 翼型 ,叶根部分采用 DU翼型。

明阳风电集团设计开发了一款3MW叶片,叶片长度为48.25 米,翼型采用FFA-W翼型和NACA翼型混合式,叶根部分到距叶根24 米的地方用FFA-W翼型,叶尖部分采用NACA63翼型。

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三.叶片结构的设计变化

 风电作为一种清洁的新能源,发展迅速。而叶片也越来越长。

目前超过100米的叶片已经出现。如在LM风电公司的法国瑟堡的工厂,为GE's Haliade-X12兆瓦海上风电机组生产的第一支叶片有107米之长,它是世界上第一支超过100米的风机叶片。

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叶轮直径的增加对叶片的质量及抗拉强力提出了更轻、更高的要求。叶片是一个细长的受力结构。这一点有点类似于梁。

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主梁承担大部分弯曲载荷,是叶片的主要承载结构,常用的形式有D型,0型、矩形和双拼槽钢等。随着技术成熟度的提高,双拼槽钢结构逐渐成为主体。目前大型风电叶片的结构都为蒙皮主梁形式(见下图),蒙皮主要由双轴复合材料层增强,提供气动外形并承担大部分剪切载荷。后缘空腔较宽,采用夹芯结构,提高其抗失稳能力。结构主梁主要为单向复合材料层增强,是叶片的主要承载结构。腹板为夹芯结构,对主梁起到支撑作用。

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四. 叶片材料及工艺的设计变化 

风电的100多年发展很快,不仅形状,结构等变化很大,材料的变化也很大。从最初的木制叶片及布蒙皮叶片开始,经历了钢梁玻璃纤维蒙皮叶片、铝合金叶片、玻璃钢叶片、玻璃钢复合材料叶片,目前已经采用高强轻质的碳纤维增强复合材料。

玻璃钢复合材料叶片强度高、重量轻、耐老化,因此在大、中型风力机叶片一中被广泛采用。玻璃钢叶片的性能还可以通过表面改性、上浆和涂覆加以改进。 但随着风机的功率的增加,叶片长度的不断增大,自身重量也不断增加,在很多场合已不能满足要求。在这种情况下,具备高强高模、低密度的碳纤维复合材料,成为了人们的重点考虑的对象。

技术人员尝试在叶片多个部位应用碳纤维复合材料。随着叶片长度的增加,刚度是一个十分重要的指标,为了加强叶片刚度同时减轻叶片的重量,在大型和超大型风力机叶片中的局部高应力区域,碳纤维增强复合材料逐渐被采用,这就是叶片的梁。叶片的大梁相当于人的脊梁骨,长长的叶片就是靠大梁支撑起来!

例如LM公司开发的应用于5MW风力发电机上的61.5m长的大型风机叶片,其重量为17.7t,在横梁和端部就使用了碳纤维增强材料。Vestas公司在其3MW机型44m的叶片主梁上也使用了碳纤维,使得叶片重量降至6t,与2MW机型使用的39m叶片质量相同。

中材叶片在2014年成功研制出国内最长的6MW风机叶片,该叶片全长77.7m,质量28t,其中主梁由5t的国产CFRP制成,而如采用GFRP设计,则该叶片质量将约达36t。吉林重通于2018年2月推出的长83.6米的风机叶片,采取了灌注工艺制备的碳纤维的大梁,该叶片重量25.2吨,减轻了接近11吨的重量。 

目前碳纤维主梁的工艺主要有三种:预浸料工艺、碳布灌注工艺和拉挤碳板工艺。这是基于风电传统工艺和碳纤维工艺特点形成的。预浸料工艺是最传统的碳纤维复合材料加工工艺,因此最初制作叶片大梁也使用预浸料。碳布灌注工艺是目前多家风机及叶片厂家使用的工艺,普通叶片的玻纤大梁就采取该工艺。该工艺比较成熟。拉挤工艺是复材一种传统工艺,近几年新开发的用于风电大梁。 因为叶片都很长,因此没有办法采取传统的高温固化。

如此制作叶片大梁使用的碳纤维预浸料是一种低温固化预浸料,加工工艺采取的真空袋压的方式,该工艺对手工操作要求较高,而且固化时间也较长。预浸料工艺制备碳纤维大梁,以手工方式铺放,生产复杂形状结构件的理想工艺,工艺及设备也成熟, 劳动环境比较差,效率低,成本很高,目前多在样机中使用,无法满足批量化使用的要求。

灌注工艺对模具要求不高,模具制作简单,甚至可以利用现有模具,产品质量稳定性高,重复性能好,制品表观质量好,相同铺层厚度薄,强度高。但该工艺对碳布要求较高,且生产效率不高,成本也较高,而且一旦出问题,就会导致整个碳梁报废,因此制约了其推广。 拉挤工艺是复合材料工艺中效率最高、成本最低的,而且纤维含量高,质量稳定,连续成型易于自动化,适合大批量生产。

利用碳纤维拉挤板材制备叶片大梁可以和叶片一起制作,铺层工艺简单,利用该工艺制作叶片的时间只有灌注工艺的一半,但对叶型设计有较高要求。

该工艺由维斯塔斯首先开发应用于风电大梁,该公司开发成功后,开始大规模推广。该工艺利用利用制作好的碳纤维拉挤板材,在特定的工装辅助下,进行铺叠就可以了,简化了工艺,缩短了时间。

目前维斯塔斯兆瓦级以上风机叶片都使用碳纤维复合材料,极大的推动了碳纤维在风电领域的应用,2016年全球碳纤维用量首次超过航空航天,成为碳纤维用量最大的领域,2019年风电使用的碳纤维2万多吨,而维斯塔斯一家用量就在2万吨左右。预计近几年还会保持20%的增长。而在这期间,国内企业把握时机,涌现出光威复材,澳盛科技等生产风电用碳纤维拉挤板材的规模化生产企业。 碳纤维制作叶片大梁的不同工艺受到了多家公司的研究,而随着风电的快速发展,大叶片的趋势也越来越明显,碳纤维在叶片中应用也成了必然。但三种工艺差异明显,如何选择就是一个问题。

下表是某家公司对三种工艺的分析对比。

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五.总结

碳纤维在风电领域应用的快速增长,可以说是应用领域这些年最大的成功,极大的推动了行业的进步。我们反思成功的原因,其设计的进步是重点。碳纤维性能优越,但成本高,加工工艺复杂多样,这是行业内共知的。但如何更好的应用碳纤维,却一直是一个行业公认的问题。之所以碳纤维在风电领域成功应用,首先源于风力的设计创新,并坚持不懈。最初风电叶片用碳纤维预浸料,后来用碳布灌注工艺,最后选择了碳纤维拉挤工艺。

可以想象,这个过程中一定遇到很多问题和麻烦。如果真的很挑剔或没有耐心,估计就黄了。而坚持下去,再加上设计创新,使效率高,成本低的碳纤维拉挤工艺可以利用的得上。正是这种设计创新,带动材料创新,工艺创新,使碳纤维在风电中的应用实现标准化,模块化,简化了后加工工艺,才有该领域应用的爆发性增长


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