碳纤维在风电领域的近期技术进展一览

2017-08-11 10:30:44 新材料视界　点击量：评论 (0)

CFRP作为风电叶片的增强结构风能是最具成本优势的可再生能源，风能发电在近10年来已取得飞速发展。截至2016年5月，全球风电装机容量已近4 270亿MW（表1）。并据预测，2020年前，新增风电装机能力将按25%的年增长

CFRP作为风电叶片的增强结构

风能是最具成本优势的可再生能源，风能发电在近10年来已取得飞速发展。截至2016年5月，全球风电装机容量已近4 270亿MW（表1）。并据预测，2020年前，新增风电装机能力将按25%的年增长率递增；到2020年，风力发电量将占世界总发电量的11.81%。

为提高风力发电机的风能转换效率，增大单机容量和减轻单位千瓦质量是关键。20世纪90年代初期，风电机组单机容量仅为500 kW，而如今，单机容量10 MW的海上风力发电机组都已产品化。风电叶片是风电机组中有效捕获风能的关键部件，叶片长度随风电机组单机容量的提高而不断增长。根据顶旋理论，为获得更大的发电能力，风力发电机需安装更大的叶片。1990年，叶轮直径（Rotor Diameter）为25 m；2010年，叶轮直径已达120 m。2011年，Kaj Lindvig预测海上风机的叶轮直径2015年将达135 m，2020年将达到160 m。但这一预测很快就被突破，美国超导公司（AmericanSuperconductor Corp.）2016年已投入市场销售的10 MW海上风力发电机的叶轮直径就已达190 m。但因叶片长度的问题，业界就是否需发展10 MW及以上能力的风力发电机存有争议，但主流观点是需要发展的。西门子风电（Siemens Wind Power）公司首席技术官认为：面积与体积的关系的科学定律将最终限制叶轮直径的不断增长，但目前还未达到极限，制造10 MW风力发电机在技术上是可行的；且从运营效益上看，降低每兆瓦时的运营成本，必须提高风力发电机的容量（图17）。

图17 叶片直径的增长过程

叶轮直径的增加对叶片的质量及抗拉强力提出了更轻、更高的要求。CFRP是制造大型叶片的关键材料，其可弥补玻璃纤维复合材料（GFRP）的性能不足。但长期以来，出于成本因素，CFRP在叶片制造中只被用于樑帽、叶根、叶尖和蒙皮等关键部位。近年，随着碳纤维价格稳中有降，加之叶片长度进一步加长，CFRP的应用部位增加，用量也有较大提升。2014年，中材科技风电叶片股份有限公司成功研制出国内最长的6 MW风机叶片，该叶片全长77.7 m、质量28 t，其中主梁由5 t的国产CFRP制成。如采用GFRP设计，则该叶片质量将约达36 t（图18）。