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碳纤维在风电叶片中的应用进展

日期:2022-10-25    来源:纺织导报

国际风力发电网

2022
10/25
15:15
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关键词: 风电叶片 可再生能源 碳纤维

“30·60”双碳背景下,作为可再生能源重要组成部分的风能将维持高速增长,市场对风电叶片的技术发展要求越来越高,叶片向大型化、轻量化方向发展,轻质高强的碳纤维是超大型叶片增强材料的必然选择。

碳纤维在风电叶片上的应用现状

碳纤维在风电叶片中的主要应用部位为主梁,与同级别的高模玻纤主梁叶片相比,采用碳纤主梁设计的叶片可实现减重20% ~ 30%。以122 m长叶片为例,叶片重量的减轻可以大幅降低因自重传递到主机上的载荷,进而可以减少轮毂、机舱、塔架和桩基等结构部件15% ~ 20%的重量,有效降低风机10%以上的整体成本。随着碳纤维叶片强度和刚度的提升,可以减少叶片在运行时的动态变形,有效改善叶片的空气动力学性能,提升风轮的发电效率。因此,通过应用碳纤维叶片降低对轮轴和塔架的负载,风机的输出功率更加平稳均衡、运行效率更高,且碳纤维复合材料的抗疲劳性能较好,通过后评估还可以延长叶片的生命周期,降低日常维护费用等综合成本。

根据美国Sandia国家实验室2016 — 2017年的研究预测,2021年碳纤维主梁叶片主要应用在 3 ~ 5 MW和 8 ~ 10 MW功率的机型上,其中10 MW以上机型100%使用碳纤维主梁。

该实验室对随叶片长度增加碳纤维主梁叶片占比的变化也给出了预测,当叶片长度大于70 m时,碳纤维的渗透率达到55%,随着叶片向大型化发展,未来叶片的平均长度大概率将超过90 m甚至100 m,碳纤维的渗透率将进一步提高,这为碳纤维提供了广阔的市场空间。

碳纤维在叶片上成型技术研究进展

碳纤维复合材料主梁的成型工艺主要有碳纤维织物真空灌注、预浸料成型和拉挤板真空灌注 3 种。碳纤维复合材料主梁真空灌注和预浸料成型工艺在叶片中应用较早,且技术较为成熟;随着叶片大型化对重量的要求越来越高,真空灌注和预浸料成型技术已不能满足未来叶片发展的需求。

风电厂商维斯塔斯从2015年开始将碳纤维主梁拉挤工艺应用于叶片上,该工艺先将碳纤维制成拉挤板材,然后将其组合固定在蒙皮上成为叶片主梁。这种设计理念是把预制成型的灌注主梁拆分为高效、低成本、高质量的标准化拉挤片材,将片材一次组装整体成型。该工艺的优点主要体现在 4 个方面:(1)拉挤工艺大幅提升了碳纤维的体积含量(可提升至70%左右),充分发挥了碳纤维的性能优势,复合材料的性能显著提升,可有效减少材料用量而降低主梁重量;(2)标准化拉挤片材大大提高了生产效率,可以保证产品性能的一致性和稳定性,适合大批量生产;(3)拉挤板长度和宽度可定制化,生产过程中边角废料少,材料利用率高;(4)综合成本明显降低,片材直接采用纤维拉挤而成,减少了编织和预浸工序,在主梁成型时还减少了主梁模具的投入,大大降低了运输成本和组装整体成型的生产成本。维斯塔斯开发出碳纤维拉挤工艺主梁后,在风电叶片上开始了大规模批量应用,新开发的2.0 MW以上叶片均使用碳纤维复合材料,极大地推动了碳纤维在风电领域的应用。以2021年为例,风电的碳纤维用量为3.3万t,占全球所有碳纤维应用领域的33%,仅维斯塔斯的用量就在2.5万~ 2.8万t左右。因此,拉挤成型工艺已成为风电叶片碳梁生产的主流工艺。

近两年中材科技、时代新材、中复连众、艾朗等叶片厂家以及金风科技、三一重工、明阳电气、上海电气等主机厂均陆续发布了使用碳纤维或碳玻混合拉挤大梁叶片。随着未来超大型碳纤维主梁叶片的开发增长,拉挤成型工艺的渗透率会继续提升。根据预测,到2030年,对于陆上叶片,碳纤维拉挤板材将逐渐成为主要的叶片主梁材料;而对于海上叶片,碳纤维拉挤板材将迅速占据主梁材料的主导地位,未来将全部替代其他主梁材料。

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