碳纖維在風電葉片中的應用

1、sinoma中國中材碳纖維在風電葉片中的應用中材科技風電葉片股份有限公司二0一年八月一日sinoma中國中材匯報提綱一、碳纖維復合材料在風電葉片中應用的優(yōu)勢二、碳纖維在風電葉片上應用技術發(fā)展 三、碳纖維在風電行業(yè)中的應用展望sinoma申國而 一、碳纖維復合材料在風電葉片中應用的優(yōu)勢sinoma申國而 一、碳纖維復合材料在風電葉片中應用的優(yōu)勢1風電葉片的發(fā)展歷程和趨勢布蒙皮葉片復合材料風機葉片具有優(yōu)異的綜合性能料葉片復合材風電葉片材料的發(fā)展歷程釆用復合材料來制造風機葉片可以取得優(yōu)異的綜合性能A可以充分利用復合材料的可設計性，對葉片的強度、剛度進行優(yōu)化設計A對于復雜的外形和表面要求，可以制作出形

2、狀復朵、輕質高強的葉片A具有疲勞強度高、缺口敏感性低、內部阻尼大、耐候性優(yōu)良的特點維修性好、周期短、可以現(xiàn)場施工sinoma申國而 一、碳纖維復合材料在風電葉片中應用的優(yōu)勢風機機組正朝著大型化發(fā)展，葉片長度越來越長，捕獲的風能越來 越多，必須開發(fā)更為先進的材料，具備輕質、高強以及剛性好的性能。100.00010.0001,000100101020406080卩1丿；-葉片5-8fS100 120 葉片宜徑(m)隨著葉片逐漸變大，風輪直徑已突破120m,最長的葉片已做到61.5m,葉片自重達18t,大型葉片這對材料的強度和剛度提出了更加苛刻的要求，全玻璃鋼葉片已無法滿足葉片大型化，輕量化的要求。

3、2、碳纖維復合材料更加適合風電葉片的要求A比重?。杭s為鋼材的1/5、A抗拉強度大：碳纖維的抗拉強度約為鋼材的10倍A剛度高：碳纖維的剛度是玻璃纖維的3倍，制成的復合材料是玻璃鋼的2倍A彈性模量高：碳纖維復合材料的拉伸彈性模量高于鋼材，但玻璃纖維復合材料的拉伸彈性模量則僅為鋼材的1 /4A疲勞強度：碳纖維復合材料的疲勞強度高于高強綱絲A還具有導電、熱膨脹系數(shù)小、耐腐蝕和耐久性強等特點3 碳纖維在風電葉片中應用的優(yōu)勢A提高葉片剛度，減輕葉片重量25000 -20000 -15000 -10000 -5000 -3040506070Blade Length (m)碳纖維的密度比玻璃纖維小約30%,強

4、度大40%,尤其是模量高3至8倍，大型葉片采用碳纖維增強可充分發(fā)揮其高彈、輕質的優(yōu)點。直徑為120m風輪葉片部分使用碳纖維可有效減少總體自重達38%，葉片成本降低14%,并使整個風力發(fā)電裝置成本降低4.5%sinomaE國qj材一、碳纖維復合材料在風電葉片中應用的優(yōu)勢A提高葉片抗疲勞性能風機總是處在條件惡劣的壞境中，并且24 h的處于工作狀態(tài)，這 使材料易于受到損害。碳纖維復合材料具有出眾的抗疲勞特性，是風 力機適應惡劣氣候條件的最佳材料之一。A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后，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

5、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。sinoma申國而 一、碳纖維復合材料在風電葉片中應用的優(yōu)勢A可制造低風速葉片碳纖維的應用對以減少負載和增加葉片長度，從而制造適合于 低風速地區(qū)的大直徑風葉，使風能成本下降。A可制造自適應葉片葉片裝在發(fā)電機的輪輪上，葉片的角度可調。可充分利用碳纖維 復合材料質輕 和可設計性，形成非對稱性和各向異性的材料，采用 彎曲/扭曲葉片設計，使葉片在強風中旋轉時可減少瞬時負載，防止對 風機的損害。A降低風力機葉片的制造和運輸成本由于減少了材料的應用，所以纖維和樹脂的應用都減少了，葉片變 得輕

6、巧，制造和運輸成本都會下降。可縮小工廠的規(guī)模和運輸設備。A具有振動阻尼特性碳纖維的振動阻尼特性對避免葉片自然頻率與塔暫短頻率間發(fā)生 任何共振的町能性A利用導電性能避免雷擊？ ？sinoma中國占材二、碳纖維在風電葉片中應用技術發(fā)展1.工藝技術冃前碳纖維復合材料風電葉片主要采用預浸料成型預浸料成型碳纖維復合材料風電葉片：A材料成木高A預浸料中樹脂體系有一定的使用壽命，預浸料需要在低溫下保存，需 要特殊的儲存設備，儲存成本高A需要特殊的設備輔助鋪層，鋪層過程較慢，成型周期長碳纖維復合材料風電葉片成型的發(fā)展趨勢是低成本的液體成型技術A碳纖維材料成本低A不需要特殊的儲存設備，材料儲存成本低A生產周期短

7、，勞動力成本低sinoma申國03材二、碳纖維在風電葉片中應用技術發(fā)展2.質量控制技術XA碳纖維表面呈惰性，樹脂浸潤困難、預成型體滲透性能差，一般需進行表面處理sinoma申國03材二、碳纖維在風電葉片中應用技術發(fā)展sinoma申國03材二、碳纖維在風電葉片中應用技術發(fā)展P一般玻纖直徑比較大碳纖有更多具體的浸漬表面（m2/kg）碳纖單向布比玻纖滲透性還低一般上碳纖纖維體積比含量較高ACFRP不透明，難以進行內部檢査，需借助無損檢測技術進行質量檢測無損檢測手段：超聲、聲發(fā)射、紅外等超聲無損檢測碳纖維主梁照片sinoma中國占材 二、碳纖維在風電葉片中應用技術發(fā)展3 設計技術3.1用于風電葉片的碳

8、纖維織物的設計技術根據(jù)碳纖維在葉片中的應用部位以及成型工藝的要求，需要對碳纖維織物進行特殊的結構設計，以最大發(fā)揮碳纖維的性能優(yōu)勢。sinoma中國占材 二、碳纖維在風電葉片中應用技術發(fā)展sinoma中國占材 二、碳纖維在風電葉片中應用技術發(fā)展碳纖/玻纖整體3D編織物sinoma中國占材 二、碳纖維在風電葉片中應用技術發(fā)展碳纖維經編織物縫線將多層單向纖維層按指定的角度縫合起來碳纖維經編織物結構示意圖和實物照片sinoma中國占材 二、碳纖維在風電葉片中應用技術發(fā)展碳纖維經編織物的特點:A鋪覆性更好、纖維屈曲程度較小，更利于發(fā)揮纖維的性能A縫線的存在極大的增加了其復合材料的層間剪切強度、損傷容限和

9、沖擊韌性A相對于單向纖維預浸帶，雖然其復合材料的拉伸強度略低，但制造總成本低sinoma中國申材 二、碳纖維在葉片上的技術發(fā)展<3.2碳纖維在風電葉片中的應用設計技術A碳纖維復合材料主梁帽Shear webs (glass over core)碳纖維用于葉片主梁帽制造降低葉片重量，大幅提高葉片主梁的模量sinoma申國03材二、碳纖維在風電葉片中應用技術發(fā)展碳纖維復合材料梁結構形式:全碳纖維復合材料梁碳玻璃混合纖維復合材料主梁碳玻璃混合纖維復合材料主梁截面示意圖降低作用在內支撐梁的受力和扭矩，并且在殼體外周圍附近的薄層上的抵 抗拉力和壓力的抗力，給葉片提供一個關于邊緣彎曲模式的改良的結構

10、效率sinoma申國03材二、碳纖維在風電葉片中應用技術發(fā)展sinoma申國03材二、碳纖維在風電葉片中應用技術發(fā)展A碳纖維復合材料翼梁緣條設計以低成木滿足對較長轉子葉片的剛度要求，并減輕葉片重量sinoma中國占材 二、碳纖維在風電葉片中應用技術發(fā)展碳纖維復合材料梁的應用實例公司葉片長度或風機功率應用部位碳纖/玻纖混合及工藝Vestas44 m梁帽全碳纖維Gamesa42.5. 44、87、90m梁帽預浸碳纖/預浸玻纖交替NEG Micon40 m梁帽碳纖維增強Nordex Rotor44、56m主梁全碳纖維Repower轉輪直徑126m梁帽碳纖和玻纖混合De Wind40 m梁帽預浸碳纖梁

11、帽嵌入蒙皮GE48.5 m梁帽全碳纖維南通東泰電工2MW主梁全碳纖維中材葉片56m/3MW主梁全碳纖維中復聯(lián)眾39.2m/2MW主梁全碳纖維碳纖維復合材料梁相關專利： US7758313B2： Carbon-glass-hybrid spar for wind turbine rotor blades CN200710005708.6：風力渦輪機轉子葉片的碳玻璃混合型翼梁 CN101057073A:用于風力渦輪機葉片的結構梁及其制造方法 US20080310964A1 ： Structural beam for a wind generator blade production method

12、thereofCN200910028100.4： 一種2.0MW風力機葉片碳纖維大梁的制造方法 CN200910028101.9： 一種風力發(fā)電機葉片用碳纖維大梁US20070189903A1: Wind turbine rotor bladesCN1294353C:風力渦輪機葉片及其制造方法US 20110123346A1: Wind turbine bladesinoma中國占材 二、碳纖維在風電葉片中應用技術發(fā)展sinoma中國占材 二、碳纖維在風電葉片中應用技術發(fā)展A碳纖維復合材料在葉根處的應用設計葉根安裝法蘭處碳纖維復合材料補強1411葉根處垂直于葉片長度截面示意圖碳纖維沿葉片長度方

13、向取向sinoma中國占材 二、碳纖維在風電葉片中應用技術發(fā)展碳纖維復合材料葉根處增強：減小葉根壁的厚度增加葉根法蘭處連接處的剛度，施加在螺栓的動態(tài)載荷減小，連接處 的疲勞強度增加。提高了法蘭的斷裂強度和承載強度，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)和疲勞強度。碳纖維復合材料在葉根處應用設計相關專利：CN200810088112.1：用于風輪機的葉片US20070140863A1： Wind turbine rotor blade碳纖維復合材料在靠近葉尖處的應用設計葉尖部分重量減小，減小了葉根部分在渦輪上的負載，葉尖部分剛 度增加

14、，可以減小葉片偏斜太厲害導致葉片的尖部打擊渦輪轂桿塔的 危險，并且比只由碳纖維復合材料構成的葉片生產成本低。相關專利：>US2005018053A1: Wind turbine blade with carbon fiber tip>CN03806411.1：具有碳纖維尖部的風力渦輪機葉片sinoma中國中材A碳纖維復合材料加固分段葉片x-x!'分段葉片連接處6/i7XX10J1碳纖維復合材料加固分段葉片，便于大型葉片的運輸，同時形成 具有非常高的抗拉強度的連接接頭，確保風輪機葉片和連接接頭即使 在極端氣象條件仍能正常工作。sinoma中國占材 二、碳纖維在風電葉片中應用技

15、術發(fā)展碳纖維復合材料加固分段葉片設計相關專利>JP2003214322：風力發(fā)電機葉片表面處理方法>CN1977108A:由兩個分離的部分制成的風輪機葉片以及裝配方法>US20080069699Al ： Wind turbine blades made of two separate sections ,and method of assembly相關應用實例公司葉片長度應用部位碳纖/玻纖混合及工藝U.S. DOE9.0 m蒙皮全表而碳纖/玻纖混合sinoma五藺而三、碳纖維在風電產業(yè)中的應用展望風機葉片的長度不斷增大，碳纖維的應用將越來越多19801985199019952

16、000200520102015sinoma五藺而三、碳纖維在風電產業(yè)中的應用展望19801985199019952000200520102015sinoma五藺而三、碳纖維在風電產業(yè)中的應用展望Figure 2-6. The development path and growth of wind turbiness5忑 £ JQoFeQooo:19801985199019952000200520102015sinoma中國五材三、碳纖維在風電行業(yè)中的應用展望sinoma中國五材三、碳纖維在風電行業(yè)中的應用展望風機葉片的長度不斷增大，碳纖維的應用將越來越多sinoma中國五材三、碳纖維

17、在風電行業(yè)中的應用展望未來海上風電的發(fā)展對碳纖維的用量將不斷增加2010年隨著中國海上風電序幕的拉開，碳纖維在風機葉片領域的 技術研究將成為風電市場新的重頭課題，這也為風電設備企業(yè)提供了新 的經濟增長點，同時中國碳纖維產業(yè)也迎來了新的發(fā)展機遇。未來海上風電機組的額定功率將超過20MW、轉子直徑約200m,碳纖 維能夠為海上風力發(fā)電提供更輕質、更抗拉力、更耐腐蝕的葉片和塔架材料。未來海上風力發(fā)電機組對碳纖維的需求量將大幅增加未來碳纖維在全球風電葉片領域的估測用量（單位為噸）sinoma中國五材三、碳纖維在風電行業(yè)中的應用展望未來碳纖維在風電領域的用量估測35CO30002500200C15001

18、0005000140%201201120122013201 12015市場規(guī)棋T増長率我國風電葉片領域碳纖維消費預測（單位為噸）碳纖維將使綜合風力發(fā)電成本降低sinoma中國五材三、碳纖維在風電行業(yè)中的應用展望sinoma中國五材三、碳纖維在風電行業(yè)中的應用展望 The cost of wind energywmdturbinesandnstaKauon丫 I akWhlotal coster yearAnnual energy productionmean wind speed + site characteflsticsRotor diameter, hub i)ei0)taiK other physical characteristicssinoma中國五材三、碳纖維在風電行業(yè)中的應用展望/kWhCast of energypet Kwh(from N