風(fēng)電的價(jià)格和風(fēng)機(jī)功率成反比，風(fēng)機(jī)功率越 大，單位發(fā)電成本越低(表1)。隨著現(xiàn)代風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展及日趨成熟，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組研究沿著增大單機(jī)容量、減輕單位千瓦質(zhì)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;90年代初期，增加到500kW; 90年代中期，為750kW——1MW;90年代末，已達(dá)到 2.5MW;目前世界平均單機(jī)容量為1MW，最大單機(jī)容量為5MW。預(yù)計(jì)2010年將開發(fā)出單機(jī)容量為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~ 39.0m(丹麥LMGlasfiber公司制造);660kW~1.65MW的風(fēng)力機(jī)，葉 片長(zhǎng)23~39m(丹麥VestasWindSystemsAS制造)。在兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組中，如1MW的葉片長(zhǎng)31m，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~ 40m，重6~ 8t;現(xiàn)代的54m大型葉片重l3t?，F(xiàn)今世界上最大5MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片長(zhǎng)61.5m，單片葉片的質(zhì)量接近18t，旋轉(zhuǎn)直徑可達(dá)126.3m。 葉片也是風(fēng)機(jī)中成本最高的部件，雖然它的質(zhì)量不到風(fēng)機(jī)質(zhì)量的15%。卻占風(fēng)機(jī)成本的15%~ 20%。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20a應(yīng)用，以經(jīng)受風(fēng)力造成的疲勞次數(shù)達(dá)108(也有以500萬(wàn)次作標(biāo)準(zhǔn))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)，質(zhì)量的增加要快于能量的提 取，因?yàn)橘|(zhì)量的增加和風(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。減輕葉片的質(zhì)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)子葉片時(shí)，采用性能更好的碳纖維復(fù)合材料勢(shì)在必行。”他們認(rèn)為當(dāng)風(fēng)力機(jī)超過(guò)3MW、葉片長(zhǎng)度超過(guò)40m時(shí)，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(guò)一定尺寸后，碳纖維葉片反而比玻璃纖維葉片便宜，因?yàn)椴牧嫌昧俊趧?dòng)力、運(yùn)輸和安裝成本等都下降了。
圖1 商業(yè)葉片質(zhì)量與旋轉(zhuǎn)半徑之間的變化趨勢(shì)
目前國(guó)外把碳纖維用于葉片制造的廠家主要有：
(1)丹麥LMGlassfiber“未來(lái)”葉片家族中61.5m長(zhǎng)、5MW風(fēng)機(jī)的葉片在梁和根部都選用了碳纖維。
(2)德國(guó)葉片制造商N(yùn)ordexRotor新制造的56m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(guò)一定尺寸后，碳纖維葉片的制作成本并不比玻璃纖維的高。
(3)Vestas WindSystem在他們制造的44m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Vestaswind Systems AS公司訂立長(zhǎng)期戰(zhàn)略合同，在前3a提 供價(jià)值8千萬(wàn)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)NEG Micon的碳纖維合同將比每年150t增加1倍。同時(shí)每年分別向Vestas和Gamesa各提供1000t，所用牌號(hào)為Panex3348K。
(4)西班牙Gamesa在他們旋轉(zhuǎn)直徑為87m(G87)和90m(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。
(5)NEG Micon在40m的葉片中采用了碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂。
(6)德國(guó)Enercon GmbH在他們的大型葉片的制造中也使用了碳纖維。
(7)華盛頓的Kirkland公司和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(guò)對(duì)30——35m長(zhǎng)葉片的設(shè)計(jì)，制造和測(cè)試證明先進(jìn)的碳纖維混編設(shè)計(jì)葉片的商業(yè)化的可行性。 碳纖維在風(fēng)葉中的應(yīng)用在逐年增加(圖2)。
圖2 碳纖維在風(fēng)葉中的用量
3、碳纖維在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中應(yīng)用的主要部位
由于碳纖維比玻璃纖維昂貴，采用百分之百的碳纖維制造葉片從成本上來(lái)說(shuō)是不合算的。目前國(guó)外碳纖維主要是和玻璃纖維混和使用，碳纖維只是用在一些關(guān)鍵的部分。碳纖維在葉片中應(yīng)用的主要部位有(圖3)：
(1)橫梁(Spar)，尤其是橫梁蓋(SparCaps)。
(2)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)葉片造成損傷(專利US6457943B1)的作用，如圖3中涂黑的部分采用碳纖維(專利 EP1485611)。
(3)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)。
圖3 碳纖維用于葉片前后邊緣和橫梁蓋制造
4、碳纖維在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
(1)提高葉片剛度，減輕葉片質(zhì)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——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120m的風(fēng)機(jī)的葉片，由于梁的質(zhì)量超過(guò)葉片總質(zhì)量的一半，梁結(jié)構(gòu)采用碳纖維，和采用全玻璃纖維的相比，質(zhì)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2倍。據(jù)分析，采用碳纖維/玻璃纖維混雜增強(qiáng)方案，葉片可減輕 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 39m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)量為5800kg，采用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂時(shí)質(zhì)量為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)量比采用玻璃纖維的輕約32%，而且成本下降約16%。圖4為完全碳纖維葉片和目前歐洲商業(yè)化的葉片質(zhì)量比較圖。
圖5 完全碳纖維葉片和目前歐洲商業(yè)化的葉片質(zhì)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24h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，葉片質(zhì)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(“self-adaptive”blade)
葉片裝在發(fā)電機(jī)的輪軸上，葉片的角度可調(diào)。目前主動(dòng)型調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)(activeutility-sizewind turbines)的設(shè)計(jì)風(fēng)速為13~15m/s(29~33英里/h)， 當(dāng)風(fēng)速超過(guò)時(shí)，則調(diào)節(jié)風(fēng)葉斜度來(lái)分散超過(guò)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制系統(tǒng)(thepitch controlsystem)，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)SandiaNational Laboratories致力于自適應(yīng)葉片研究，使1.5MW風(fēng)機(jī)的發(fā)電成本降到4.9美分/(kW˙h)，價(jià)格可和燃料發(fā)電相比。
(6)利用導(dǎo)電性能避免雷擊
利用碳纖維的導(dǎo)電性能，通過(guò)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(wèn)題和解決途徑
5.1 碳纖維應(yīng)用的主要問(wèn)題
碳纖維應(yīng)用有以下主要問(wèn)題需要解決：
(1)碳纖維是一種昂貴纖維材料，在碳纖維應(yīng)用過(guò)程中，價(jià)格是主要障礙，性價(jià)比影響了它在風(fēng)力發(fā)電上的大范圍應(yīng)用。
(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。由于碳纖維葉片一般采用環(huán)氧樹脂制造，要通過(guò)降低環(huán)氧樹脂制造的黏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因素影響敏感(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。
5.2解決途徑
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^(guò)如下的途徑來(lái)促進(jìn)碳纖維在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用。
(1)用碳纖維代替玻璃纖維
葉片尺寸越大，相對(duì)成本越低。碳纖維更適于 3MW(40m)以上，尤其是5MW以上的產(chǎn)品。因?yàn)?材料用量下降，才能比玻璃纖維葉片更便宜。另外可采用從瀝青制造的低成本碳纖維，這種碳纖維的價(jià)格可以降到每磅5美元的心理價(jià)位。下一代采用輕質(zhì)、高性能碳纖維葉片的5——10MW風(fēng)力機(jī)，設(shè)計(jì)更加可靠，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力也更強(qiáng)。
(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800g3軸向織物(triaxial fabric)，由1層500g0°T-600碳纖維夾在2層150g 成±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3軸向織物為+65°和-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°，逐步地引入旋轉(zhuǎn)耦合部件(thetwist-couplingcomponent)。
(3)采用大絲束碳纖維
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)，該發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)度的碳纖維，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。
(4)采用新型成型加工技術(shù)
在目前的生產(chǎn)中，預(yù)浸料和真空輔助樹脂傳遞模塑工藝已成為2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)氧樹脂替代。
利用天然纖維——熱塑性樹脂制造的“綠色葉片”近年來(lái)也倍受重視，如愛爾蘭的Gaoth公司已負(fù)責(zé)制造12.6m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)30m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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