碳纤维复合材料在风力发电机叶片中的应用-北极星风力发电网

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1、风力发电技术的发展

风电的价格和风机功率成反比，风机功率越大，单位发电成本越低(表1)。随着现代风电技术的发展及日趋成熟，风力发电机组研究沿着增大单机容量、减轻单位千瓦质量、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;90年代初期，增加到500kW; 90年代中期，为750kW——1MW;90年代末，已达到 2.5MW;目前世界平均单机容量为1MW，最大单机容量为5MW。预计2010年将开发出单机容量为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~ 39.0m(丹麦LMGlasfiber公司制造);660kW~1.65MW的风力机，叶片长23~39m(丹麦VestasWindSystemsAS制造)。在兆瓦级风电机组中，如1MW的叶片长31m，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~ 40m，重6~ 8t;现代的54m大型叶片重l3t。现今世界上最大5MW的风力发电机的叶片长61.5m，单片叶片的质量接近18t，旋转直径可达126.3m。叶片也是风机中成本最高的部件，虽然它的质量不到风机质量的15%。却占风机成本的15%~ 20%。风叶类似于航空叶片，要求提高“提升比”(Lift-to-dragratio)，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20a应用，以经受风力造成的疲劳次数达108(也有以500万次作标准)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，质量的增加要快于能量的提取，因为质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。减轻叶片的质量，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子叶片时，采用性能更好的碳纤维复合材料势在必行。”他们认为当风力机超过3MW、叶片长度超过40m时，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璃纤维叶片便宜，因为材料用量、劳动力、运输和安装成本等都下降了。

图1 商业叶片质量与旋转半径之间的变化趋势

目前国外把碳纤维用于叶片制造的厂家主要有：

(1)丹麦LMGlassfiber“未来”叶片家族中61.5m长、5MW风机的叶片在梁和根部都选用了碳纤维。

(2)德国叶片制造商NordexRotor新制造的56m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璃纤维的高。

(3)Vestas WindSystem在他们制造的44m长、 V-903.0MW风电机中的叶片的梁采用了碳纤维。2004年12月ZoltekCompaniesInc.宣布与Vestaswind Systems AS公司订立长期战略合同，在前3a提供价值8千万到1亿美元的碳纤维用于制造风机叶片;ZoltekCompaniesInc在股东大会上宣布对NEG Micon的碳纤维合同将比每年150t增加1倍。同时每年分别向Vestas和Gamesa各提供1000t，所用牌号为Panex3348K。

(4)西班牙Gamesa在他们旋转直径为87m(G87)和90m(G90)2MW的风机的叶片中采用了碳纤维/环氧树脂预浸料。

(5)NEG Micon在40m的叶片中采用了碳纤维增强环氧树脂。

(6)德国Enercon GmbH在他们的大型叶片的制造中也使用了碳纤维。

(7)华盛顿的Kirkland公司和TPIComposites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，制造和测试证明先进的碳纤维混编设计叶片的商业化的可行性。碳纤维在风叶中的应用在逐年增加(图2)。

图2 碳纤维在风叶中的用量

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