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      碳纖維在風力機葉片中的應用與前景

      文章出處:未知責任編輯:管理員人氣:發表時間:2015-07-27【

      鑒于目前碳纖維昂貴的成本,在風力機葉片的所有部位上使用碳纖維從成本上來說不合算。現階段,碳纖維主要是和玻纖混和使用,碳纖維只是在主梁、前后緣,和蒙皮等一些關鍵的部分使用。碳纖維的使用形式上主要以單向碳纖維預浸料和碳纖維多軸向織物為主,工藝上則主要采用真空輔助成型工藝(VARTM)或樹脂膜滲透(RFI)工藝。近年來,全球各大葉片制造商為了使碳纖維能在風力發電上得到更多的應用,從原材料、工藝技術、質量控制等各方面進行了深入研究,以求降低成本。
      碳纖維風力機發電葉片 本文來自123

      目前,把碳纖維用于風力機葉片制造的廠家及其產品包括:丹麥LM Glassfiber“未來”葉片家族中61.5米長、5MW風機的葉片在梁和端部都選用了碳纖維,并且利用碳纖維的導電特性進行了風力機葉片防雷系統的設計;德國葉片制造商Nordex Rotor制造的56米長、5MW風機葉片的整個主梁結構也采用了碳纖維,他們認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;Nordex還在N117/2400和N117/3000兩類風機上使用了采用碳纖維復合材料梁帽制造的葉片;德國Enercon公司也在其E82/E4等機型使用的葉片上都采用了碳纖維復合材料梁帽;德國Repower公司制造的5MW風機葉片,輪轂直徑達到了126米,該葉片采用碳纖與玻纖混雜結構制成,單支葉片的重量達到了18噸;丹麥Vestas公司作為世界碳纖維風力機葉片的最大用戶,在他們制造的44米長、3MW風電機中的葉片的主梁上采用了碳纖維,葉片重量僅有6噸。Vestas公司從2012年起,又在幾乎所有MW級的葉片上使用了碳纖維復合材料制成的筋板和梁帽;西班牙Gamesa在直徑為87米(G87)和90米(G90)2MW的風機的葉片中采用了碳纖維/環氧樹脂預浸料,其2MW-44m碳纖維葉片僅重5.8噸,相比2MW-39m玻璃纖維葉片輕1.5噸。 123456

      另外,GE公司、西門子公司和蘇司蘭公司在開發海上大型風力機葉片時,都不約而同的選擇了碳纖維作為減重材料的首選。國內的中復連眾、中材科技等葉片制造商也已經在部分葉型上采用了碳纖維復合材料梁帽,并開展了對大型風力機葉片上采用碳纖維復合材料的研究。 copyright 123456

      碳纖維在風葉中的應用逐年增加,據GE公司估計,到2020年前,全球每年平均將新增50GW風機,如果這些風機都使用碳纖維主梁,那么每年風能業的碳纖維需求將達6萬噸。 123456

      應用優勢

      內容來自123456

      與傳統玻纖相比,碳纖維有更優良的力學性能,強度一般在3,500MPa以上,楊氏模量比玻璃纖維高3倍以上,密度卻小約30%,且在有機溶劑、酸、堿中不溶不脹,耐蝕性突出,所以采用碳纖維或碳纖維/玻纖混雜結構設計可以有效改善風力機葉片的多種性能。

      123,123

      提高剛度,減輕重量

      123456

      由于碳纖維優良的力學性能,大型葉片采用碳纖維增強可充分發揮其高彈輕質的優點,這也是碳纖維在葉片上應用最主要和最直接的優勢。 123456

      據Zoltek公司和美國堪薩斯州的Wetzel工程設計公司研究顯示,當3MW-57m風機葉片主梁使用碳纖維增強復合材料時,與玻璃鋼葉片相比,葉片重量減輕27%,且具有更高剛性,更高耐疲勞性,但同時葉片本身的原材料成本上升了13.7%。在10MW-90m風機葉片主梁使用碳纖維增強復合材料制造時,與玻璃鋼葉片比較,葉片重量減輕32.5%,原材料成本僅上升了7%。當其外殼與主梁均采用碳纖維增強復合材料制造時,重量減輕了54.6%,而成本卻沒有增加,甚至還降低了約0.1%。因此,在越大型的葉片上使用碳纖維,其減重的效果越好,性價比越高。 copyright 123456

      降低運輸和安裝成本

      copyright 123456

      碳纖維復合材料明顯的減重作用使得葉片運輸的成本相應下降,相對應的材料用量、勞動力和安裝成本也下降,當葉片超過一定尺寸后,總成本將反而比玻纖葉片更便宜。

      本文來自123

      提高葉片的抗疲勞性能

      123,123

      風電機組大多處在條件惡劣的環境中,這就要求風力機葉片擁有較好的抗疲勞性能。而碳纖維復合材料抗疲勞特性出眾。實驗顯示,在碳纖維復合材料結構件每平方厘米上能承受四噸左右的壓力,并且循環次數高達二千萬到三千萬次(每分鐘二千次循環)而沒有產生疲勞破壞。再加上碳纖維復合材料特有的防腐蝕和抗老化特性,碳纖維復合材料可以說是風機葉片適應惡劣氣候條件的理想材料。 內容來自123456

      改善風機輸出功率

      123,123

      碳纖維復合材料不但降低了葉片重量,還增加了葉片的剛度,在改善了葉片空氣動力學性能的同時,也基本杜絕了風力機葉片葉尖部位掃到塔架的可能性。葉片重量的減輕也相應的減少了葉片對塔和輪軸的負載,從而使風機的輸出功率更平滑和更均衡,提高能量效率。同時,碳纖維葉片可以設計得更薄,可以采用更高能源效率的葉型設計。 copyright 123456

      可制造低風速葉片

      123,123

      碳纖維復合材料使風力機葉片減重的意義還在于同樣的負載條件下,可以增加葉片的長度,增大掃風面積,從而可以應用在低風速地區,使風能成本下降,具有極高的巿場價值。2014年,南車時代新材與國防科技大學聯合研發了2MW-56.5m超低風速碳纖維葉片,該款葉片應用了碳玻混雜、碳纖維液體成型等多項新型技術,葉片重量減輕了15%,葉片長度卻超過了普通2MW葉片,是專為低風速地區設計制造的風力機葉片。

      123,123

      利用導電性能避免雷擊

      內容來自123456

      碳纖維還具有良好的導電性能。普通碳纖維電阻率一般在10-2~10-4Ω•m,高模碳纖維電阻率更在10-6Ω•m左右。在葉片結構設計中,利用碳纖維的導電性能選用碳纖維材料,進行特殊的避雷結構設計,可有效減少,甚至避免雷擊對葉片造成的損傷。

      copyright 123456

      主要問題和解決途徑 123456

      原材料成本高

      本文來自123

      碳纖維材料價格昂貴。在碳纖維應用過程中,價格是主要的障礙。適用于風力機葉片產業的高性能碳纖維價格為玻璃纖維的10倍以上。以一根碳纖維主梁為例,重量不到全玻纖主梁的80%,但成本卻是后者的5倍。 123456

      業內人士普遍認為,只有當葉片超過一定尺寸時,材料用量明顯下降以后,碳纖維葉片才能具有比玻璃纖維葉片更低的成本。目前階段下,葉片生產廠商普遍采用碳纖維和玻璃纖維共混的方法進行葉片結構設計,這種方法的優勢不僅在于能有效減少成本的增加,而且還綜合了兩種材料各自的性能優勢。

      本文來自123

      從碳纖維產業發展趨勢來看,由于技術的進步和各碳纖維巨頭產能的不斷擴張,碳纖維生產成本和銷售價格未來還具有進一步下降的可能。同時,新的低成本碳纖維生產工藝也在研究之中。

      123,123

      技術制約 本文來自123

      (1)碳纖維直徑較小而表面積較大,在復合材料成型加工時浸潤比較困難。這也是一些廠家采用碳纖維預浸料工藝的原因。而碳纖維預浸料在儲存和運輸過程中均需要冷藏,一定程度上限制了生產效率的提高。

      123456

      (2)碳纖維的鋪層方向,纖維取向和編織工藝等對碳纖維復合材料的性能影響也比較大,而且由于剛度差異、熱脹系數差異等問題導致的碳玻界面的結合問題,也給碳纖維復合材料葉片帶來了一定的技術風險。

      123,123

      (3)碳纖維本身呈黑色,與樹脂基體結合后的碳纖維復合材料也呈黑色,透明性較玻璃纖維復合材料差,難以進行內部檢查,往往需要借助無損檢測技術,包括超聲,聲發射以及紅外等技術來進行質量檢測。

      內容來自123456

      雖然有成本和技術上的影響,但碳纖維在大型葉片中的應用已成為一種趨勢。隨著未來碳纖維成本可能的下降趨勢和性能的普遍提高,碳纖維應用工藝及結構設計對碳纖維復合材料乃至碳纖維葉片性能的影響將變得尤為重要,如何改進碳纖維葉片的液體成型工藝,采用何種編織工藝,以及如何更精細的進行工藝過程控制和質量檢測將是葉片工作者們今后繼續努力探索的重要方向。

      本文來自123

       
       

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