碳纖維及復(fù)合材料在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用進(jìn)展ppt課件

1、碳纖維及復(fù)合材料在風(fēng)電葉片領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展陳 虹,中國(guó)復(fù)合材料集團(tuán)有限公司 2013年07月25日,碳纖維在葉片中應(yīng)用的技術(shù)發(fā)展,全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,中國(guó)復(fù)材風(fēng)電葉片,碳纖維在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展,碳纖維在葉片中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,2012年全球累計(jì)海上風(fēng)電裝機(jī)容量 5410 MW （同比增長(zhǎng)31.4%） 全球新增海上風(fēng)電裝機(jī)容量 1292 MW 中國(guó)海上風(fēng)電完成吊裝容量 395 MW,海上風(fēng)電,10MW和12MW海上風(fēng)力機(jī)組的已啟動(dòng)研發(fā) 風(fēng)輪直徑約200m,全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,主機(jī)商： 金風(fēng)（3MW、6MW）、華銳（3MW、5MW、6MW） 聯(lián)合動(dòng)力（3M

2、W、6MW）、明陽(yáng)（3MW、6MW） 東汽（3MW、5.5MW）、湘電（5MW）、 上海電氣（3.6MW、6MW） 葉片生產(chǎn)商：曾多達(dá)經(jīng)近百家，經(jīng)過(guò)近幾年的激烈競(jìng)爭(zhēng)，目前能夠批量供貨的制造商不足10 家。 中國(guó)復(fù)材、中材科技、中航惠騰、LM; 東汽、國(guó)電、明陽(yáng)、上海玻鋼院、VESTAS、GAMESA,中國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,風(fēng)電發(fā)展目標(biāo),根據(jù)可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃 到2015年，風(fēng)電并網(wǎng)容量大約為120GW，需要每年新增裝機(jī)15GW以上; 2020年，我國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)目標(biāo)要達(dá)到200GW; 全球風(fēng)能理事會(huì)預(yù)測(cè)2020年中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到250GW,中國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,海上風(fēng)電目標(biāo)和建設(shè)重點(diǎn)

3、,風(fēng)力發(fā)電廠正從內(nèi)陸及大陸沿海地區(qū)逐步轉(zhuǎn)向海上； 2020年前，中國(guó)將在江蘇南通、鹽城、上海、山東魯北 浙江杭州等海灣建設(shè)幾個(gè)百萬(wàn)千瓦級(jí)海上風(fēng)電基地； 到2015年底，我國(guó)海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)有望達(dá) 5GW,中國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,碳纖維在葉片中應(yīng)用的技術(shù)發(fā)展,全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,中國(guó)復(fù)材風(fēng)電葉片,碳纖維在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展,碳纖維在葉片中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),葉片,塔架,輪轂,齒輪箱,發(fā)電機(jī),風(fēng)機(jī)主要零部件： 葉片、齒輪箱 發(fā)電機(jī),良好的設(shè)計(jì)和優(yōu)越的性能是保證機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行的決定因素,碳纖維在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),風(fēng)輪直徑,陸上風(fēng)機(jī),海上風(fēng)機(jī),風(fēng)力發(fā)電機(jī)成長(zhǎng)與發(fā)展之路,5MW,3.6MW,10MW,2.

4、5MW,1.5MW,750KW,500KW,300KW,100KW,50KW,米,碳纖維在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),Enercon的6MW, 7MW風(fēng)電機(jī)組已成功運(yùn)行；GE的7MW和Vestas的10MW機(jī)組正在研制中；中復(fù)連眾的6MW風(fēng)電葉片已成功吊裝,大型化是風(fēng)機(jī)及葉片發(fā)展的必然趨勢(shì),輕質(zhì)/高強(qiáng)/ 剛性好,風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)半徑與葉片質(zhì)量的關(guān)系 -幾乎呈立方關(guān)系,葉片長(zhǎng)度的增加， 單純的玻纖材料很難滿足葉片的設(shè)計(jì)要求,碳纖維在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),提高葉片強(qiáng)度，減輕葉片重量,碳纖維葉片,玻纖葉片,葉片長(zhǎng)度/（米,碳纖維在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),隨著葉片長(zhǎng)度的增加，為了減輕葉片重量，同時(shí)又提高剛度，碳纖維就

5、成了解決這一設(shè)計(jì)難題的首選纖維材料,重量輕：在滿足剛度和強(qiáng)度要求的條件下，比玻纖葉片輕 20%以上 低負(fù)荷更輕的變槳軸承、偏航系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)輪轂、塔筒 更易操作，運(yùn)輸及吊裝 減少組件大小、重量、成本 擾度更小，機(jī)翼部分更薄: 機(jī)翼氣動(dòng)效率更高，提高風(fēng)能利用率和年發(fā)電量 動(dòng)力問(wèn)題少 預(yù)彎少，垂懸部分小,碳纖維在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),成本：綜合風(fēng)力發(fā)電成本降低 運(yùn)輸、吊裝成本相對(duì)降低 對(duì)機(jī)組相關(guān)部件的強(qiáng)度和剛度要求降低，使用壽命延長(zhǎng) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整體性能和效率提高 定期檢修、維護(hù)成本降低,在不提高軸承、根部緊固件、風(fēng)機(jī)輪轂負(fù)荷的情況下可以 增加葉片的長(zhǎng)度，在同一平臺(tái)上能捕捉更多能量,碳纖維在風(fēng)電葉片

6、中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),在設(shè)計(jì)時(shí)，由于主要考慮到疲勞和擾度，因此設(shè)計(jì)者們通常無(wú)法充分利用玻璃纖維的靜應(yīng)變范圍。 碳結(jié)構(gòu)靜態(tài)時(shí)很穩(wěn)定，在20年壽命期間，其疲勞損傷很小,碳纖維在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),疲勞性能,葉片長(zhǎng)度（m,葉 根 彎 矩,靜態(tài)玻璃纖維,靜態(tài)碳纖維,疲勞玻璃纖維,疲勞碳纖維,碳纖維在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),19,風(fēng)電葉片常用的碳纖維增強(qiáng)材料,目前，葉片常用的碳纖維：日本東麗：T620 /T700S 美國(guó)卓爾泰克：P35,直徑：7.2 微米 強(qiáng)度：4150Mpa 模量： 242Gpa 密度 ：1.81 g/cc 用做 “UD prepreg” 單向預(yù)浸帶 500-600 g/m2 編織布 725

7、-875 g/m2 預(yù)浸后 預(yù)浸后供應(yīng)價(jià)為 $24/kg,干碳纖維用做單向帶或多軸無(wú)紡織物時(shí)可以浸潤(rùn)樹(shù)脂,卓爾泰克Panex 35 50k,風(fēng)電葉片常用的碳纖維增強(qiáng)材料,通過(guò)GL認(rèn)證,T620S是日本東麗專門(mén)為風(fēng)電葉片開(kāi)發(fā)出的碳纖維,風(fēng)電葉片常用的碳纖維增強(qiáng)材料,CFRPT620疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果,碳纖維在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07 1.E+08 # of Cycles N,600 500 400 300 200 100 0,Maximum Sress S MPa,2500 2000 1500 1000 500 0,應(yīng)力范

8、圍,E-glass/epoxy (Vf=53%) Lay-up and % 0-material: 45/0S, 64%-0 Laminate fabricated by: MSU,假設(shè)風(fēng)應(yīng)力發(fā)生的頻率是20年,碳纖維在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),等效破壞疲勞負(fù)載,碳纖維在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),25,葉片用碳纖維與玻璃纖維相比,葉片用碳纖維復(fù)合材料與玻璃纖維復(fù)合材料相比,碳纖維在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),輪轂重量 3葉片重量,注： 碳纖維預(yù)浸料減少葉片整體重量25-35% 從而降低了輪轂的重量,重量（kg,風(fēng)電機(jī)組組件重量比較,碳纖維在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),輪轂重量/葉片重量,來(lái)源于美國(guó)國(guó)家能源部可再生

9、能源實(shí)驗(yàn)室(NREL) WindPACT 報(bào)告 輪轂質(zhì)量（kg）= 0.954 x （葉片質(zhì)量）+ 5680 輪轂成本 = 輪轂質(zhì)量 x $4.25/kg,輪轂質(zhì)量 kg,葉片質(zhì)量，kg,碳纖維在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),當(dāng)主梁使用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，與玻璃鋼葉片比較，葉片重量減輕12%，且具有更高剛性，更高耐疲勞性。 更低運(yùn)輸安裝成本以及維修成本，延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)使用壽命帶來(lái)的成本的降低等優(yōu)勢(shì),只在大梁處用碳纖維復(fù)合材料 替換玻璃纖維復(fù)合材料,大梁: GFRP,大梁: CFRP,根據(jù)東麗風(fēng)能研究所資料(1.5MW,玻纖和碳纖在風(fēng)電葉片上使用的比較,27,14,減重27% 成本增加14,僅針對(duì)材料成本,

10、玻纖和碳纖在風(fēng)電葉片上使用的比較 （ 57m 葉片,僅針對(duì)材料成本,包括碳纖維/玻璃纖維混合材料蒙皮中的1085kg 碳纖維,24,39,9,5,玻纖和碳纖在風(fēng)電葉片上使用的比較 （ 74m 葉片,僅針對(duì)材料成本,32,55,7,0,碳纖維葉片質(zhì)量較輕，成本與玻璃纖維葉片相近,玻璃纖維：53 mt 碳纖維 ：36mt 碳纖維2*：24mt *C/G 蒙皮,玻纖和碳纖在風(fēng)電葉片上使用的比較 （ 90m 葉片,中國(guó)復(fù)材 6MW：65m純玻纖葉片28噸， 碳纖維葉片20噸， 減重30,碳纖維葉片,LM 5MW 61.5m： 17.74噸,Gamesa 2MW 44m： 5.8噸,連眾 39.2m：5

11、.8噸,Vestas 3MW 44m： 6噸,重量比較,碳纖維在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),碳纖維在葉片中應(yīng)用的技術(shù)發(fā)展,全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,中國(guó)復(fù)材風(fēng)電葉片,碳纖維在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展,碳纖維在葉片中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),葉片根部 增加葉片的抗彎矩,承力主梁 提高葉片的強(qiáng)度和剛度,蒙皮或外殼部分增強(qiáng)葉片的表面強(qiáng)度和耐腐蝕性能,原料：?jiǎn)蜗蛱祭w維預(yù)浸料和碳纖維 多軸向織物。 工藝：真空輔助成型工藝(VARTM) 或樹(shù)脂膜滲透（RFI）工藝,碳纖維在葉片中的主要應(yīng)用部位和作用,碳纖維在葉片中應(yīng)用的技術(shù)發(fā)展,碳纖維復(fù)合材料主梁結(jié)構(gòu)形式,全碳纖維復(fù)合材料主梁,碳-玻璃混合纖維復(fù)合材料主梁截面示意圖,碳-玻璃混合纖維

12、復(fù)合材料主梁,碳纖維在葉片中應(yīng)用的技術(shù)發(fā)展,非對(duì)稱全碳纖維復(fù)合材料梁,碳纖維復(fù)合材料條帶加固主梁,碳纖維復(fù)合 材料條帶,降低作用在內(nèi)支撐梁的受力和扭矩，并且降低在殼體外周?chē)浇谋由系牡挚估蛪毫Φ目沽?，給葉片提供一個(gè)關(guān)于邊緣彎曲模式的改良的結(jié)構(gòu)效率,碳纖維在葉片中應(yīng)用的技術(shù)發(fā)展,葉根安裝法蘭處碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng),碳纖維沿葉片長(zhǎng)度方向取向,葉根處垂直于葉片長(zhǎng)度截面示意圖,碳纖維復(fù)合材料在葉根處的應(yīng)用設(shè)計(jì),CFRP層,GFRP層,碳纖維在葉片中應(yīng)用的技術(shù)發(fā)展,碳纖維復(fù)合材料葉根處增強(qiáng)： 減小葉根壁的厚度 增加葉根法蘭處連接處的剛度，施加在螺栓的動(dòng)態(tài)載荷減小，連接處的疲勞強(qiáng)度增加。 提高了法蘭

13、的斷裂強(qiáng)度和承載強(qiáng)度，使得螺母的尺寸減小，T型螺栓的間距縮短，可增加葉根法蘭處螺栓數(shù)量，從而增加葉片和輪轂連接處的靜態(tài)和疲勞強(qiáng)度,碳纖維在葉片中應(yīng)用的技術(shù)發(fā)展,碳纖維應(yīng)用 到葉尖部位,碳纖維復(fù)合材料在靠近葉尖處的應(yīng)用設(shè)計(jì),葉尖部分重量減小，減小了葉根部分在渦輪上的負(fù)載，葉尖部分剛度增加，可以減小葉片偏斜太厲害導(dǎo)致葉片的尖部打擊渦輪轂桿塔的危險(xiǎn)，并且比只由碳纖維復(fù)合材料構(gòu)成的葉片生產(chǎn)成本低,碳纖維在葉片中應(yīng)用的技術(shù)發(fā)展,碳纖維復(fù)合材料加固分段葉片，便于大型葉片的運(yùn)輸，同時(shí)形成具有非常高的抗拉強(qiáng)度的連接接頭，確保風(fēng)輪機(jī)葉片和連接接頭即使在極端氣象條件仍能正常工作,分段葉片連接處,碳纖維復(fù)合材料條帶

14、,碳纖維復(fù)合材料加固分段葉片,碳纖維在葉片中應(yīng)用的技術(shù)發(fā)展,CFRP不透明，難以用肉眼進(jìn)行內(nèi)部檢查，需借助無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè),無(wú)損檢測(cè)手段：超聲、聲發(fā)射、紅外等,碳纖維葉片的無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用,超聲無(wú)損檢測(cè)碳纖維主梁,碳纖維復(fù)合材料梁的應(yīng)用實(shí)例,解決方案,價(jià)格高： 性價(jià)比影響了它在風(fēng)力發(fā)電上的大范圍應(yīng)用； 技術(shù)問(wèn)題：直徑較小的碳纖維表面積較大，成型加工比較困難; 大絲束碳纖維不易展開(kāi)，使強(qiáng)度及剛度等性能受影響,制約碳纖維在大型風(fēng)電葉片應(yīng)用的因素,研究大絲束碳纖維的應(yīng)用技術(shù) 研究真空灌注工藝用樹(shù)脂體系 研究碳/?；祀s復(fù)合材料,未來(lái)碳纖維在全球風(fēng)電葉片領(lǐng)域的估測(cè)用量（單位：噸,未來(lái)碳纖維在風(fēng)電領(lǐng)域

15、的用量估測(cè),碳纖維在風(fēng)電行業(yè)中的應(yīng)用前景,目前碳纖維價(jià)格較前幾年有大幅度的降低，風(fēng)電葉片對(duì)碳纖維的需求將越來(lái)越多,Zoltek公司多年來(lái)為風(fēng)電葉片領(lǐng)域供應(yīng)了約2萬(wàn)噸大絲束碳纖維,碳纖維在葉片中應(yīng)用的技術(shù)發(fā)展,全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,中國(guó)復(fù)材風(fēng)電葉片,碳纖維在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展,碳纖維在葉片中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),2005年：中國(guó)復(fù)材成功自德國(guó)引進(jìn)1.5MW風(fēng)力機(jī)葉片技術(shù)，率先成為國(guó)內(nèi)能夠自主生產(chǎn)兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)葉片的大型企業(yè)。 2007年1月6日： 收購(gòu)NOI公司正式簽約，成立海外全資子公司并設(shè)立研發(fā)中心，正式開(kāi)展國(guó)際化經(jīng)營(yíng),黑龍江富錦風(fēng)場(chǎng),壩上風(fēng)場(chǎng),威海風(fēng)場(chǎng),中國(guó)復(fù)材風(fēng)電葉片,可規(guī)模生產(chǎn)1.25MW- 6MW、9個(gè)系列近30個(gè)型號(hào)風(fēng)電葉 片； 3MW、5MW、6MW葉片已成功應(yīng)用于海上風(fēng)電場(chǎng); 5MW葉片于 2012年通過(guò)GL認(rèn)證; 62m-6MW海上風(fēng)電葉片于 2011年10月在江蘇鹽城完成裝機(jī)。 10MW的風(fēng)電機(jī)組正在設(shè)計(jì)中,已經(jīng)連續(xù)三年市場(chǎng)占有率達(dá)到20%以上,中國(guó)復(fù)材風(fēng)電葉片,一個(gè)研發(fā)中心 5個(gè)生產(chǎn)基地,具備年產(chǎn)1萬(wàn)片MW級(jí)