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

碳纖維及復(fù)合材料在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用進(jìn)展第1頁/共51頁碳纖維在葉片中應(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)勢第2頁/共51頁

2012全球累計(jì)裝機(jī)風(fēng)電容量

282GW，占全球發(fā)電總裝機(jī)5%；我國累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量75GW，

占全球26.8%，居第一全球320GW

中國93GW預(yù)計(jì)2013年全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀1998-2012全球累計(jì)裝機(jī)容量(GW)第3頁/共51頁

全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀2012全球新增裝機(jī)容量44.7GW我國新增裝機(jī)容量13.2GW，占全球新增總裝機(jī)的30%，居第一(GW)1998-2012全球新增裝機(jī)容量第4頁/共51頁2012年各國新增裝機(jī)容量單位：MW2012年，我國新增裝機(jī)容量為13200MW；截至2012年底，我國累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到了75564MW。全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀第5頁/共51頁2012年全球累計(jì)海上風(fēng)電裝機(jī)容量5410MW

（同比增長31.4%）全球新增海上風(fēng)電裝機(jī)容量1292MW

中國海上風(fēng)電完成吊裝容量395MW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)狀第6頁/共51頁主機(jī)商：金風(fēng)（3MW、6MW）、華銳（3MW、5MW、6MW）聯(lián)合動(dòng)力（3MW、6MW）、明陽（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)過近幾年的激烈競爭，目前能夠批量供貨的制造商不足10家。中國復(fù)材、中材科技、中航惠騰、LM;東汽、國電、明陽、上海玻鋼院、VESTAS、GAMESA中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀第7頁/共51頁風(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2020年中國風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到250GW。中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀第8頁/共51頁海上風(fēng)電目標(biāo)和建設(shè)重點(diǎn)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)百萬千瓦級(jí)海上風(fēng)電基地；到2015年底，我國海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)有望達(dá)5GW，中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀第9頁/共51頁碳纖維在葉片中應(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)勢第10頁/共51頁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)勢第11頁/共51頁風(fēng)輪直徑陸上風(fēng)機(jī)海上風(fēng)機(jī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)成長與發(fā)展之路5MW3.6MW10MW2.5MW1.5MW750KW500KW300KW100KW50KW（米）碳纖維在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用優(yōu)勢第12頁/共51頁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

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)勢第13頁/共51頁提高葉片強(qiáng)度，減輕葉片重量碳纖維葉片玻纖葉片葉片長度/（米）碳纖維在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用優(yōu)勢隨著葉片長度的增加，為了減輕葉片重量，同時(shí)又提高剛度，碳纖維就成了解決這一設(shè)計(jì)難題的首選纖維材料。葉片重量/（千克）碳纖維葉片玻纖葉片葉片長度/（米）第14頁/共51頁

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

—?jiǎng)恿栴}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)勢第15頁/共51頁成本：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度，在同一平臺(tái)上能捕捉更多能量碳纖維在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用優(yōu)勢第16頁/共51頁

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)勢碳纖維預(yù)浸料浸漬無堿玻璃纖維材料循環(huán)應(yīng)變幅度疲勞循環(huán)次數(shù)—N疲勞性能第17頁/共51頁葉片長度（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)勢第18頁/共51頁

19玻璃纖維碳纖維性能AdvantexH-glass東麗T620S東麗T700SZOLTEKP3550K三菱麗陽P33060k拉伸強(qiáng)度Gpa2.2063.0604.44.94.154.9拉伸模量GPa7486235230242250斷裂伸長率%＞3%＞3%1.872.131.711.96密度g/cm3

2.622.521.771.81.811.81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

美國卓爾泰克：P35第19頁/共51頁?—直徑：7.2微米

—強(qiáng)度：4150Mpa

—模量：242Gpa

—密度：1.81g/cc

?用做“UDprepreg”—單向預(yù)浸帶

—500-600g/m2

編織布

—725-875g/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紡織物時(shí)可以浸潤樹脂卓爾泰克Panex3550k風(fēng)電葉片常用的碳纖維增強(qiáng)材料第20頁/共51頁通過GL認(rèn)證T620S是日本東麗專門為風(fēng)電葉片開發(fā)出的碳纖維。風(fēng)電葉片常用的碳纖維增強(qiáng)材料第21頁/共51頁CFRP—T620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1.E+021.E+031.E+041.E+051.E+061.E+071.E+08#ofCyclesN6005004003002001000MaximumSressSMPa25002000150010005000應(yīng)力范圍ΔσUDFabricT620SSaertexT620SSaertexCF”A”環(huán)境：大氣中溫度：R.T.材質(zhì)：CFRP載荷：控制波形：sin波周波數(shù)：5Hz應(yīng)力比：R=-11.00E+00 1.00E+01 1.00E+02 1.00E+03 1.00E+04 1.00E+05 1.00E+061.00E+07E-glass/epoxy(Vf=53%)Lay-upand%0°-material:[±45/0°]S,64%-0°Laminatefabricatedby:MSU第22頁/共51頁假設(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)勢第23頁/共51頁等效破壞疲勞負(fù)載碳纖維在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用優(yōu)勢第24頁/共51頁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)勢第25頁/共51頁輪轂重量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)勢第26頁/共51頁輪轂重量/葉片重量來源于美國國家能源部可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)WindPACT報(bào)告輪轂質(zhì)量（kg）=0.954x（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)勢第27頁/共51頁

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，延長風(fēng)機(jī)使用壽命帶來的成本的降低等優(yōu)勢。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第28頁/共51頁葉片WEI57-3000GWEI57-3000G2低擾度WEI57-3000C長度(m)575757風(fēng)輪直徑(m)116116116額定功率(MW)3.03.03.0外殼材料環(huán)氧樹脂浸漬無堿玻璃纖維環(huán)氧樹脂浸漬無堿玻璃纖維環(huán)氧樹脂浸漬無堿玻璃纖維主梁材料浸漬玻璃纖維浸漬玻璃纖維碳纖維預(yù)浸料主梁設(shè)計(jì)盒式梁(2腹板)盒式梁（2腹板）工字梁（1腹板）材料質(zhì)量(Kg)主梁碳纖維預(yù)浸料001,298主梁干玻纖+浸漬樹脂4,7257,2010所有其他玻纖+樹脂8,2137,9047,716巴爾沙木875750926PVC泡沫235235235粘合劑286286286總計(jì)14,33416,37610,461葉片成本主要材料成本($)碳纖維預(yù)浸料23.5/kg$-$-$30,503干玻纖3/kg$28,332$33,077$16,896環(huán)氧樹脂7/kg$24,460$28,556$14,587巴爾沙木15/kg$13,125$11,250$13,890PVC泡沫12/kg$2,820$2,820$2,820粘合劑13.5/kg$3,861$3,861$3,861總計(jì)$72,599$79,564$82,557-27%+14%減重27%成本增加14%僅針對(duì)材料成本玻纖和碳纖在風(fēng)電葉片上使用的比較（57m葉片）第29頁/共51頁僅針對(duì)材料成本*包括碳纖維/玻璃纖維混合材料蒙皮中的1085kg碳纖維葉片WEI74-7000GWEI74-7000CWEI74-7000C2長度(m)747474風(fēng)輪直徑(m)153153153額定功率(MW)777外殼材料環(huán)氧樹脂浸漬無堿玻璃纖維環(huán)氧樹脂浸漬無堿玻璃纖維環(huán)氧樹脂浸漬碳纖維/玻璃纖維主梁材料浸漬玻璃纖維碳纖維預(yù)浸料碳纖維預(yù)浸料主梁設(shè)計(jì)盒式梁（2腹板）工字梁（1腹板）工字梁(1腹板)材料質(zhì)量(Kg)主梁碳纖維預(yù)浸料03,5983,598主梁干玻纖+浸漬樹脂14,28100所有其他玻纖+樹脂23,41323,83118,322*巴爾沙木2,1252,3441,377PVC泡沫9201,0401,040粘合劑620480480總計(jì)41,36031,29325,201葉片成本主要材料成本($)碳纖維預(yù)浸料23.5/kg$-$75,558$83,622干玻纖3/kg$82,517$51,254$59,165*環(huán)氧樹脂7/kg$80,490$52,920$39,819芯材15/kg$23,800$26,250$15,422粘合劑12/kg$11,590$13,618$13,618根部緊固件13.5/$10,415$8,064$8,064總計(jì)$208,812$227,664$219,710-24%-39%+9%+5%玻纖和碳纖在風(fēng)電葉片上使用的比較（74m葉片）第30頁/共51頁葉片WEI90-10K-G1WEI90-10K-CWEI90-10K-C2長度(m)909090風(fēng)輪直徑(m)185185185額定功率(MW)10.010.010.0外殼材料環(huán)氧樹脂浸漬無堿玻璃纖維環(huán)氧樹脂浸漬無堿玻璃纖維環(huán)氧樹脂浸漬碳纖維/玻璃纖維主梁材料浸漬玻璃纖維碳纖維預(yù)浸料碳纖維預(yù)浸料主梁設(shè)計(jì)盒式梁(2腹板)工字梁（1腹板）工字梁（1腹板）材料質(zhì)量(Kg)主梁碳纖維預(yù)浸料04,5003,850主梁干玻纖+浸漬樹脂21,15000外殼干碳纖維+浸漬樹脂003,700所有其他玻纖+樹脂27,39926,74712,750巴爾沙木2,6002,7001,950PVC泡沫815815750粘合劑991991991總計(jì)52,95535,75323,991葉片成本主要材料成本($)碳纖維預(yù)浸料23.5/kg$-$105,740$90,475干碳纖維23.5/kg$0$0$56,830干玻纖3/kg$106,313$58,571$27,920環(huán)氧樹脂7/kg$91,783$50,566$33,076巴爾沙木15/kg$38,999$40,500$29,250PVC泡沫12/kg$9,776$9,776$9,000粘合劑13.5/kg$13,384$13,384$13,384總計(jì)$260,254$278,536$259,935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：53mt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）第31頁/共51頁中國復(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LM5MW61.5m：17.74噸Gamesa2MW44m：5.8噸連眾39.2m：5.8噸Vestas3MW44m：6噸玻璃鋼葉片Enercon4.5MW54m：20噸Gamesa2MW39m：7.3噸連眾37.5m：5.8噸Vestas2MW39m：6噸重量比較碳纖維在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用優(yōu)勢第32頁/共51頁碳纖維在葉片中應(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)勢第33頁/共51頁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：單向碳纖維預(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)展第34頁/共51頁碳纖維復(fù)合材料主梁結(jié)構(gòu)形式：CF基體材料GF基體材料CFRP層GFRP層CFRP層GFRP層CFGF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-玻璃混合纖維復(fù)合材料主梁碳纖維在葉片中應(yīng)用的技術(shù)發(fā)展第35頁/共51頁迎風(fēng)面迎風(fēng)面主梁（碳纖維復(fù)合材料）背風(fēng)面背風(fēng)面主梁非對(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(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)展第36頁/共51頁葉根安裝法蘭處碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)碳纖維沿葉片長度方向取向葉根處垂直于葉片長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)展第37頁/共51頁碳纖維復(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)展第38頁/共51頁碳纖維應(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)展第39頁/共51頁

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)展第40頁/共51頁CFRP不透明，難以用肉眼進(jìn)行內(nèi)部檢查，需借助無損檢測技術(shù)進(jìn)行質(zhì)量檢測無損檢測手段：超聲、聲發(fā)射、紅外等碳纖維葉片的無損檢測應(yīng)用超聲無損檢測碳纖維主梁第41頁/共51頁公司葉片長度或風(fēng)機(jī)功率應(yīng)用部位碳纖/玻纖混合及工藝Vestas44m/3.0MW主梁全碳纖維Gamesa

44m/2MW、62.5m/4.5MW主梁預(yù)浸碳纖/預(yù)浸玻纖交替NEGMicon40m主梁碳纖維增強(qiáng)NordexRotor44、56m/5MW主梁全碳纖維Repower轉(zhuǎn)輪直徑126m主梁碳纖和玻纖混合DeWindD8-2.0MW40m主梁預(yù)浸碳纖梁帽嵌入蒙皮GE48.5m主梁全碳纖維LM61.5m/5MW主梁全碳纖維AREVA阿海琺56.5m/5MW主梁全碳纖維南通東泰電工2MW主梁全碳纖維中材葉片56m/3MW主梁全碳纖維中國復(fù)材39.2m/2MW主梁全碳纖維碳纖維復(fù)合材料梁的應(yīng)用實(shí)例第42頁/共51頁解決方案價(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，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脂體系研究碳/?；祀s復(fù)合材料第43頁/共51頁未來碳纖維在全球風(fēng)電葉片領(lǐng)域的估測