碳纖維在風力發電機葉片中的應用

發佈日期: 2012 年 09 月 26 日 0:00 | 作者: | 分類: 綠能知識

當葉片長度增加時,重量的增加要快於能量的提取,因為重量的增加和風葉長度的立方成正比,而風機產生的電能和風葉長度的平方成正比。同時隨著葉片長度的增加,對增強材料的強度和剛度等性能提出了新的要求,玻璃纖維在大型複合材料葉片製造中逐漸顯現出性能方面的不足。為了保證在極端風載下葉尖不碰塔架,葉片必須具有足夠的剛度。減輕葉片的重量,又要滿足強度與剛度要求,有效的辦法是採用碳纖維增強。國外專家認為,由於現有材料性不能很好滿足大功率風力發電裝置的需求,玻璃纖維複合材料性能已經趨於極限,因此,在發展更大功率風力發電裝置和更長轉于葉片時,採用懺能更好的碳纖維複合材料是勢在必行。根據國外有關資料報導,當風力機超過3MW、葉片長度超過40米時,在葉片製造時採用碳纖維已成為必要的選擇。事實上,當葉片超過一定尺寸後,碳纖維葉片反而比玻纖葉片便宜,因為材料用量、勞動力、運輸和安裝成本等都下降了。

國外碳纖維用於葉片製造的廠家主要有:

(1)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。

(2)德國葉片製造商Nordex Rotor公司。

(3)Vestas Wind System公司在他們製造的44米長、V-90 3.0 MW風電機中的葉片的梁採用了碳纖維。2004年12月Zoltek Companies Inc.宣佈與Vestas wind Systems AS公司訂立長期戰略合同,在前三年提供價值8千萬到1億美元的碳纖維用於製造風機葉片;Zoltek Companies公司宣佈對NEG Micon的碳纖維合同將從每年150噸增加一倍。同時每年分別向Vestas和Ganesa各提供1000噸,所用牌號為Panex33 48K。

(4)西班牙Gamesa在他們旋轉直徑為87米(G87)和90米(G90)2MW的風機的葉片中採用了碳纖維/環氧樹脂預浸料,G90葉片長44米,品質約7噸。

(5)NEG Micon在40米的葉片中採用了碳纖維。

(6)德國Enercon 公司在他們的大型葉片的製造中也使用了碳纖維。

華盛頓的Kirkland公司收到美國能源部(U.S.Department of Energy )的75萬美元,作為研發資金,和TPI Composites公司合作,發展碳纖維風機葉片,以求得最大的能量獲得,同時減輕風機的負載。方案通過對30-35m長葉片的設計,製造和測試以證明先進的碳纖維混編設計的商業可能性。

碳纖維在風葉中的應用正在逐年增加。

2. 碳纖維在風葉片中應用的主要部位

由於碳纖維比玻纖昂貴,採用百分之百的碳纖維製造葉片從成本上來說是不合算的。目前國外碳纖維主要是和玻纖混和使用,碳纖維只是用到一些關鍵的部分。碳纖維在葉片中應用的主要部位有:

(1)橫樑(Spar),尤其是橫樑蓋(Spar Caps)。

(2)前後邊緣,除了提高剛度和降低品質外,還起到避免雷擊對葉片造成的損傷(專利US6457943BI)。

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

3. 碳纖維在風機葉片中應用的優勢

碳纖維的應用優勢:

(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%,強度大40%,尤其是模量高3至8倍。大型葉片採用碳纖維增強可充分發揮其高彈輕質的優點。荷蘭戴爾弗理工大學研究表明,一個旋轉直徑為120米的風機的葉片,由於梁的品質超過葉片總品質的一半,梁結構採用碳纖維,和採用全玻纖的相比,重量可減輕40%左右;碳纖維複合材料葉片剛度是玻璃纖維複合材料葉片的兩倍。據分析,採用碳/玻混雜增強方案,葉片可減重20%~30%。

Vesta Wind System公司的V90 3 Mw發電機的葉片長44m,採用碳纖維代替玻璃纖維的構件,葉片品質與該公司V80 2 MW發電機且為39米長的葉片品質相同。同樣是34m長的葉片,採用玻璃纖維增強聚脂樹脂時品質5800kg,採用玻璃纖維增強環氧樹脂時品質5200kg,而採用碳纖維增強環氧樹脂時品質只有3800kg。其他的研究也表明,添加碳纖維所制得的風機葉片品質比玻璃纖維的輕約32%,而且成本下降約16%。

(2)提高葉片抗疲勞性能

風機總是處在條件惡劣的環境中,並且24小時的處於工作狀態。這就使材料易於受到損害。相關研究表明,碳纖維合成材料具有出眾的抗疲勞特性,當與樹脂材料混合時,則成為了風力機適應惡劣氣候條件的最佳材料之一。

(3)使風機的輸出功率更平滑更均衡,提高風能利用效率

使用碳纖維後,葉片重量的降低和剛度的增加改善了葉片的空氣動力學性能,減少對塔和輪軸的負載,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,碳纖維葉片更薄,外形設計更有效,葉片更細長,也提高了能量的輸出效率。

(4)可製造低風速葉片

碳纖維的應用可以減少負載和增加葉片長度,從而製造適合於低風速地區的大直徑風葉,使風能成本下降。

(5)可製造自我調整葉片

葉片裝在發電機的輪輪上,葉片的角度可調。目前主動型調節風機(active utility-size wind turhines)的設計風速為13 to15m/sec(29 to 33mph),當風速超過時,則調節風葉斜度來分散超過的風力,防止對風機的損害。斜度控制系統對逐步改變的風速是有效的。但對狂風的反應太慢了,自我調整的各向異性葉片可説明斜度控用系統(thepitch control system),在突然的、瞬間的和局部的風速改變時保持電流的穩定。自我調整葉片充分利用了纖維增強材料的特性,能產生非對稱性和各向異性的材料,採用彎曲/扭曲葉片設計,使葉片在強風中旋轉時可減少暫態負載。美國Sandia National Laboratories致力於自我調整葉片(“adzptive”blade)研究,使1.5W風能從每KWh 5美分降到4.9分,價格可和燃料發電相比。

(6)利用導電性能避免雷擊

利用碳纖維的導電性能,通過特殊的結構設計,可有效地避免雷擊對葉片造成的損傷。

(7)降低風力機葉片的製造和運輸成本

由於減少了材料的應用,所以纖維和樹脂的應用都減少了,葉片變得輕巧,製造和運輸成本都會下降。可縮小工廠的規模和運輸設備。

(8)具有振動阻尼特性。碳纖維的振動阻尼特性可避免葉片自然頻率與塔暫短頻率間發生任何共振的可能性。

4. 碳纖維應用的主要問題和解決途徑

碳纖維應用的缺陷:

(1)碳纖維是一種昂貴纖維材料,在碳纖維應用過程中,價格是主要障礙,另外,性價比影響了它在風力發電上的大範圍應用。必須當葉片超過一定尺寸後,因為材料用量下降,才能比玻纖葉片便宜。目前採用碳纖維和玻璃纖維共混結構是一種比較好的辦法,而且還綜合了兩種材料的性能。另外一種方法是採用從瀝青製造的成本較低的碳纖維,這種碳纖維的價格可以降到5美元/磅的心理價位。

(2)CFRP比GFRP更具脆性,一般被認為更趨於疲勞,但是研究表明,只要注意生產品質的控制以及材料和結構的幾何條件,就可足以保證長期的耐疲勞。

(3)直徑較小的碳纖維表面積較大,複合材料成型加工浸潤比較困難。由於碳纖維叫、片一般采川環氧樹脂製造,要通過降低環氧樹脂製造的熟度而不降低它的力學性能是比較困難的,這也是一些廠家採用預浸料工藝的原因。此外碳纖維複合材料的性能受工藝眼影響敏感(如鋪層方向),對工藝要求較高。

(4)碳纖維複合材料透明性差,難以進行內部檢查。

但碳纖維在大型葉片中的應用已成為一種不可改變的趨勢。目前,全球各大葉片製造商正在從原材料、工藝技術、品質控制等各方面進行深入研究,以求降低成本,使碳纖維能在風力發電上得到更多的應用。可通過如下的途徑來促進碳纖維在風力發電中的應用:

1)葉片尺寸越大,相對成本越低。因此對於3MW(40m)以上,尤其是5MW以上的產品。目前大規模安裝的2.5-3.5MW機組採用了輕質、高性能的玻璃纖維葉片,設計可靠,市場競爭力強,下一代5-10MW風力機的設計將更多的採用碳纖維。

2)採用特殊的織物混編技術。根據葉片結構要求,把碳纖維鋪設在剛度和強度要求最高的方向,達到結構的最優化設計。如TPI公司採用碳纖維織物為800g 三軸向織物(triaxial fabric),由一層500g0°T-600碳纖維夾在兩層150g成土45°的玻纖織物內。對於原型葉片中,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載。旋轉織物意味著織物邊沿和葉片方向成20°角,逐步地引入旋轉耦合部件(the twist-coupling component)。

3)採用大絲束碳纖維。碳纖生產成本高,特別是高性能的碳纖維生產成本生高,而葉片生產中,採用大絲束碳纖維可達到降低生產成本的目的。如一種新型丙烯酸碳纖維(美國專利US6103211申請人:TORAY INDUSTRIES(JP))該發明的目的在於提供一種高強度的碳纖維,所述的碳纖維主要包括大量的滿足下列關係式的細纖維:sigma>/=11.l~0.75d,其中的sigma指碳纖維抗張強度,d指細纖維的平均直徑。這種碳纖維適用於風力機葉片材料等與能源相關的設備,或者作為道路、大橋的加強結構層。

4)採用新型成型加工技術,如VARTM和Light-RTM技術。

在目前的生產中,預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;對於40m以上葉片,大多數製造商採用VARTM技術。但VESTAS和GAMESA仍使用預浸料工藝。技術關鍵是控制樹脂粘度、流動性、注入孔設計和減少材料孔隙率。

在大型葉片製造中,由於碳纖維的使用,聚酯樹脂已被環氧樹脂來替代;利用天然纖維-熱塑性樹脂製造的“綠色葉片”近年來也倍受重視,如愛爾蘭的Gnth公司負責制造12.6米長的熱塑性複合材料葉片,Mitsubishi(三菱)公司負責在風力發電機上進行“綠色葉片的試驗”。如果試驗成功後,他們將繼續研究開發30米以上的熱塑性複合材料標準葉片。

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