風(fēng)電葉片用碳纖維復(fù)合材料研究進(jìn)展

摘要雙碳背景下，為實(shí)現(xiàn)凈零排放，作為清潔可再生能源的風(fēng)能的大規(guī)模利用已是全球共識，特別是隨著發(fā)電成本的降低及節(jié)能減排需求的提升，全球風(fēng)能發(fā)電行業(yè)發(fā)展迅猛。隨著風(fēng)電葉片長度的不斷增加，碳纖維復(fù)合材料因其輕質(zhì)高強(qiáng)、可設(shè)計(jì)性及低成本等優(yōu)勢，成為風(fēng)電行業(yè)不可替代的主要原材料。本文回顧了全球風(fēng)電市場及風(fēng)電葉片的成型工藝和材料，重點(diǎn)闡述了維斯塔斯風(fēng)電葉片主梁的革命性創(chuàng)新設(shè)計(jì)成果-拉擠碳板疊層灌注工藝，碳板主梁提高了葉片強(qiáng)度，降低了葉片質(zhì)量，并有效降低制造成本，極大地促進(jìn)了碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)電葉片上的應(yīng)用；展望了風(fēng)電葉片的發(fā)展趨勢，隨著風(fēng)電行業(yè)迎來更大的發(fā)展，必將進(jìn)一步提升碳纖維復(fù)合材料的需求。近年來，國際社會(huì)為實(shí)現(xiàn)凈零排放，應(yīng)對氣候變化做了諸多努力。我國也于2020年9月向世界宣布2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。為達(dá)成碳達(dá)峰、碳中和的“雙碳”目標(biāo)，大規(guī)模利用風(fēng)能、太陽能等可再生能源已是全球共識，特別是隨著發(fā)電成本的降低及節(jié)能減排需求的提升，全球風(fēng)能發(fā)電行業(yè)發(fā)展迅猛。開發(fā)大型化、輕量化和低成本的風(fēng)電葉片是近來的趨勢，隨著風(fēng)電葉片長度的不斷增加，碳纖維復(fù)合材料因其輕質(zhì)高強(qiáng)、可設(shè)計(jì)性及低成本等優(yōu)勢，在風(fēng)電領(lǐng)域用量逐漸攀升，成為風(fēng)電行業(yè)不可替代的主體材料，保障了風(fēng)電產(chǎn)業(yè)大規(guī)?？焖侔l(fā)展。1風(fēng)能市場及葉片情況

自21世紀(jì)初以來，全球風(fēng)能裝機(jī)容量大幅增長，根據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)（GWEC）發(fā)布的報(bào)告，2022年，全球風(fēng)電新增裝機(jī)容量77.6ＧＷ（其中中國新增32.6ＧＷ），如圖1所示。從全球風(fēng)電新增裝機(jī)結(jié)構(gòu)來看，2022年陸上風(fēng)電新增裝機(jī)68.8ＧＷ，占全球風(fēng)電總新增裝機(jī)的88.7％，海上風(fēng)電新增裝機(jī)達(dá)8.8ＧＷ，占全球風(fēng)電總新增裝機(jī)的11.3％。近年來，全球風(fēng)電總裝機(jī)容量不斷增長，由2018年的591ＧＷ，快速增至2022年的906ＧＷ，年均復(fù)合增長率達(dá)7.7％。預(yù)計(jì)2023年，全球新增產(chǎn)能將首次超過100ＧＷ，至2024年，全球陸上風(fēng)電新增裝機(jī)將首次突破100ＧＷ，到2025年，全球海上風(fēng)電新增裝機(jī)將再創(chuàng)新高，達(dá)到25ＧＷ

。

為降低度電成本，風(fēng)電行業(yè)不斷擴(kuò)大風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量，目前陸上風(fēng)電機(jī)組機(jī)型以４～7ＭＷ機(jī)組為主，而海上風(fēng)電機(jī)組的主流機(jī)型為6～9ＭＷ。單機(jī)容量的增加伴隨著風(fēng)電葉片長度的不斷增加，目前國內(nèi)外風(fēng)電廠商紛紛開發(fā)或已下線的新型葉片，基本均是百米級葉片。如2021年維斯塔斯推出115ｍ長的Ｖ236－15.0ＭＷ海上風(fēng)機(jī)葉片；2023年1月，

明陽智能宣布其研發(fā)的最新ＭySE1.8.Ｘ-28Ｘ型號海上風(fēng)力葉片，葉片長度140ｍ，能夠在17級臺(tái)風(fēng)等極端海洋條件下運(yùn)行，其生產(chǎn)和安裝時(shí)間表暫未公布。2風(fēng)電葉片用材料及工藝發(fā)展

2.1

風(fēng)電葉片用材料的發(fā)展早期的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率容量很小，材料大多采用木質(zhì)，隨著大、中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展，木質(zhì)葉片強(qiáng)度不高、潮濕環(huán)境易腐蝕等缺點(diǎn)顯露，金屬葉片因其加工成型較為簡單、價(jià)格低廉，開始大范圍用于風(fēng)電葉片，但是金屬材料也存在腐蝕問題，這對葉片的保養(yǎng)和后期維護(hù)提出了挑戰(zhàn)。而具有優(yōu)異力學(xué)性能和耐環(huán)境侵蝕性能的復(fù)合材料，成為當(dāng)今大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的首選材料。風(fēng)電領(lǐng)域應(yīng)用復(fù)合材料初期，增強(qiáng)體一般選用價(jià)格較為低廉的玻璃纖維，基體則主要使用不飽和聚酯樹脂；為滿足葉片的大型化、輕質(zhì)化要求，從成本方面考慮，增強(qiáng)體逐步開始采用碳纖維與玻璃纖維混雜的方式，基體樹脂則以環(huán)氧樹脂為主；近年來隨著葉片尺寸進(jìn)一步加大，對葉片強(qiáng)度和剛度提出更高的要求，特別是風(fēng)電葉片主梁，作為承擔(dān)葉片載荷的主要結(jié)構(gòu)，葉片的承載能力直接取決于主梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度，葉片主梁用增強(qiáng)材料開始紛紛由玻璃纖維或玻碳混雜纖維轉(zhuǎn)向碳纖維。風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展，有效促進(jìn)了碳纖維的大批量應(yīng)用，2022年全球風(fēng)電領(lǐng)域碳纖維需求達(dá)34700噸

。當(dāng)前葉片上應(yīng)用的碳纖維多選擇48～50Ｋ的大絲束，風(fēng)電領(lǐng)域用碳纖維主要型號及性能參數(shù)見表1。從表1可以看出，風(fēng)電葉片使用的碳纖維拉伸強(qiáng)度為4000～4500MPa，其拉伸強(qiáng)度介于東麗的Ｔ300級碳纖維與Ｔ700級碳纖維之間，拉伸模量范圍是230～240GPa。2.2

風(fēng)電葉片主流成型工藝風(fēng)電葉片成型工藝已由之前的濕法手糊成型工藝過渡為目前的織物真空灌注成型工藝、預(yù)浸料固化成型工藝、拉擠碳板疊層灌注成型工藝等成型工藝。

這三種成型工藝的特點(diǎn)及使用的增強(qiáng)材料形式見表2。其中，維斯塔斯開發(fā)的碳纖維拉擠碳板疊層灌注工藝，直接改變了碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)電領(lǐng)域的傳統(tǒng)應(yīng)用方式，其通過高效的拉擠成型工藝，將碳纖維制備成單向碳纖維板材，之后將拉擠碳板疊層排列，灌注樹脂后固化成型為風(fēng)電葉片主梁。

相比于傳統(tǒng)真空灌注工藝和預(yù)浸料工藝，拉擠碳板疊層灌注工藝具有更高的纖維體積含量和更優(yōu)的纖維排列，從而帶來優(yōu)異的力學(xué)性能。

從拉擠工藝本身來看，其是一個(gè)連續(xù)的自動(dòng)化過程，可使碳板的質(zhì)量更加一致，生產(chǎn)效率也更高，制造量更大；

并且拉擠碳板生產(chǎn)的長度不受限制，大長度的碳板可通過分切達(dá)到最終用戶使用所需長度。3維斯塔斯主梁結(jié)構(gòu)革命性創(chuàng)新設(shè)計(jì)分析

2022年7月，維斯塔斯向中國、丹麥等國家知識產(chǎn)權(quán)局、歐洲專利局、世界知識產(chǎn)權(quán)局申請了《Ｗindturbineblade（風(fēng)電葉片）》專利。

其專利權(quán)利要求中包含了制造拉擠預(yù)制板方法和液體成型制造風(fēng)電葉片的方法。

下面結(jié)合風(fēng)電葉片的結(jié)構(gòu)及維斯塔斯的專利內(nèi)容分析維斯塔斯在風(fēng)電主梁結(jié)構(gòu)上革命性創(chuàng)新設(shè)計(jì)

。簡單來看，風(fēng)電葉片的基本結(jié)構(gòu)由兩個(gè)蒙皮面（吸力側(cè)和壓力側(cè)）組成，通過一個(gè)或多個(gè)連接葉片蒙皮上部和下部的整體（剪切）腹板或廂式大梁連接在一起并加固。

翼面方向的載荷由風(fēng)壓引起，而翼緣方向的載荷則由重力和扭矩載荷引起。

主梁、內(nèi)部腹板抵抗翼面方向的彎曲，而翼緣承受翼面方向彎曲。

從材料載荷的角度來看，壓力側(cè)主梁中的主層壓板承受循環(huán)拉伸載荷，而吸力側(cè)承受循環(huán)壓縮載荷。

前緣和后緣處承載與重力載荷相關(guān)的彎矩的層壓板承受拉伸-壓縮載荷。

如圖2所示，蒙皮的灰色區(qū)域是需要承擔(dān)載荷的結(jié)構(gòu)區(qū)域，也就是主梁區(qū)域。維斯塔斯的風(fēng)電葉片專利中，其葉片橫截面外部圓周的薄層，由多個(gè)預(yù)先預(yù)制的沿葉片外部圓周順序布置的板如木板、碳板構(gòu)成（當(dāng)然在如今的風(fēng)電葉片實(shí)際生產(chǎn)中，拉擠碳板鋪疊方式較專利中已有明顯區(qū)別）。

在其一項(xiàng)實(shí)施例中，預(yù)制板為樺木膠合板和拉擠成型碳板，如圖3所示。預(yù)制板的制造相比整個(gè)葉片來說要簡單，也更經(jīng)濟(jì)便宜，并且預(yù)制板可以通過恰當(dāng)?shù)姆绞饺缯婵展嘧⒒驑渲瑢?dǎo)入等方式粘接?；仡欙w機(jī)承力結(jié)構(gòu)演化，可以看出，第一代飛機(jī)主要是桁架式結(jié)構(gòu)，外加布料材質(zhì)蒙皮。

之后由于氣動(dòng)需要，飛機(jī)結(jié)構(gòu)變?yōu)閱误w橫造式結(jié)構(gòu)，由外層金屬蒙皮和內(nèi)部的框組成，外部載荷完全由蒙皮承擔(dān)，部分傳遞至內(nèi)部框結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)需要較厚的蒙皮來承擔(dān)載荷，因此發(fā)展了半單體橫造式結(jié)構(gòu)。

該結(jié)構(gòu)的特征是，蒙皮上有增強(qiáng)的長桁及縱梁結(jié)構(gòu)，因此可將蒙皮厚度減薄，并且優(yōu)化了載荷傳遞線路，提高了機(jī)體的結(jié)構(gòu)效率，達(dá)到蒙皮結(jié)構(gòu)減重且強(qiáng)度提高的效果。傳統(tǒng)的非碳板主梁葉片類似飛機(jī)的單體橫造式結(jié)構(gòu)，在主梁位置需要進(jìn)行增厚處理，碳板主梁葉片類似于飛機(jī)的半單體橫造式結(jié)構(gòu)，

如圖4所示

。碳板類似于長桁，并且液體成型的樹脂與其說是基體，更是作為膠黏劑存在。

碳板主梁可以降低作用在原廂式主梁結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐梁的受力和扭矩，并且在蒙皮外圓周給葉片提供了針對于邊緣彎曲模式的改良結(jié)構(gòu)效率。

總體上看，

碳板主梁提高了葉片的結(jié)構(gòu)效率，提高了強(qiáng)度，降低葉片質(zhì)量，有效降低了葉片的制造成本。2014年，維斯塔斯基于其風(fēng)電葉片專利技術(shù)，將風(fēng)電葉片主梁拆解為高效、低成本、高質(zhì)量的拉擠碳板等標(biāo)準(zhǔn)件，然后把標(biāo)準(zhǔn)件一次組裝整體成型。

維斯塔斯通過拉擠工藝，大幅提高了碳纖維體積含量，減輕了主體承載部分的質(zhì)量，提高了主梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度，促進(jìn)了碳纖維的大批量應(yīng)用。道化學(xué)公司比較了玻璃纖維廂式主梁、碳纖維預(yù)浸料主梁和拉擠碳板主梁三種工藝的葉片減重及成本情況，如圖5所示。

拉擠碳板主梁工藝較預(yù)浸料碳纖維主梁工藝，成本可降低25％，且拉擠成型具有更高的生產(chǎn)效率及更好的精細(xì)控制。比較了玻纖和碳纖通過拉擠和WAR兩種工藝的力學(xué)性能，如圖6所示。結(jié)果表明，玻璃纖維拉擠板拉伸模量比灌注玻璃纖維提高15％，壓縮強(qiáng)度提升47％；

碳纖維拉擠板材的拉伸模量比灌注碳纖維提升了25％，壓縮強(qiáng)度提升了42％。從纖維增強(qiáng)復(fù)合材料發(fā)展來看，拉擠成型技術(shù)的應(yīng)用已成為未來風(fēng)電葉片發(fā)展的重要趨勢。國外西門子歌美颯新開發(fā)的SG-155和SG-170葉型開始應(yīng)用碳纖維拉擠主梁設(shè)計(jì)；GE公司新開發(fā)葉型GE75上應(yīng)用了碳纖維拉擠主梁設(shè)計(jì)。

國內(nèi)中材葉片2019年開展玻璃纖維拉擠主梁技術(shù)開發(fā)，2021年在Si76.5、Si85.8和Si90等多個(gè)系列葉片上批量應(yīng)用；

遠(yuǎn)景能源在EN161葉片上進(jìn)行小批量應(yīng)用；

金風(fēng)科技在GW184葉片上已經(jīng)完成兩套葉片的試用。4風(fēng)電葉片發(fā)展趨勢

（1）

更長——葉片長度更長。2022年，美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室與勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室和美國能源部合作，對140多名風(fēng)能專家進(jìn)行了一項(xiàng)調(diào)查，預(yù)計(jì)到2035年，陸上風(fēng)力葉片的長度將達(dá)到130ｍ。（2）更多——碳纖維需求更多。

伴隨葉片大功率化和大型化，對碳纖維的需求將進(jìn)一步增加，預(yù)計(jì)到2030年全球風(fēng)電市場對碳纖維的需求為19～20萬噸。（３）更遠(yuǎn)——海上漂浮式風(fēng)電研發(fā)。2019年，由美國能源部資助的美國ATLANTIS計(jì)劃，包括12項(xiàng)旨在推進(jìn)浮動(dòng)海上風(fēng)電技術(shù)的研發(fā)工作；2022年10月，Gazelle風(fēng)力發(fā)電公司平臺(tái)的原型通過了首次可行性測試