風電機組大型化帶來復(fù)合材料葉片的機遇與挑戰(zhàn)

風電機組大型化帶來

復(fù)合材料葉片的機遇與挑戰(zhàn)中國復(fù)合材料集團有限公司張曉明

2014年8月20日2目錄

一、風電發(fā)展現(xiàn)狀與展望

二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

3目錄一、風電發(fā)展現(xiàn)狀與展望

1.前言

2.2013年全球風電發(fā)展狀況

3.2013年中國風電發(fā)展狀況

4.中國可再生能源及風電發(fā)展展望

能源是經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)，也是溫室氣體排放的主要來源。工業(yè)革命以來，世界能源消費急劇增長，人類的物質(zhì)生活極大改善。煤炭、石油等化石能源（不可再生）資源消耗迅速，人類社會的可持續(xù)發(fā)展受到威脅?？稍偕茉礊槿祟惿鐣某掷m(xù)發(fā)展提供了保障。溫室氣體排放導(dǎo)致日益嚴峻的全球氣候變化--災(zāi)難性的氣候變化。4一、風電發(fā)展現(xiàn)狀與展望

1、前言：能源給我們帶來的利與弊通過抑制溫室氣體排放的增長，把大氣中溫室氣體長期濃度控制在450ppm二氧化碳當量，在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的支持。這為能源轉(zhuǎn)型帶來一個很小，但卻是前所未有的發(fā)展機遇---各國政府在低碳技上投資加大。風力發(fā)電已成為目前世界上公認的最接近商業(yè)化，最具有市場競爭力的可再生能源。5一、風電發(fā)展現(xiàn)狀與展望

1、前言：能源轉(zhuǎn)型給風力發(fā)電帶來的發(fā)展機遇

根據(jù)全球風能理事會（GWEC）的統(tǒng)計:

2013年，全球：

新增裝機3546.7萬千瓦（35467MW），

比2012年增長量減少約1000萬千瓦；累計裝機31813.7萬千瓦（318137MW），

同比增長12.4%，增幅較去年下降6.46%；

風電所發(fā)電量占全球電力供應(yīng)的2.87%。丹麥為33.2%；

美國為4%。6一、風電發(fā)展現(xiàn)狀與展望

2、2013年的全球風電發(fā)展狀況

7一、風電發(fā)展現(xiàn)狀與展望

國家MW份額（%）中國1610045.4德國32389.1英國18835.3印度17294.9加拿大15994.5美國10843.1巴西9482.7波蘭8942.5瑞典7242.0羅馬尼亞6952.0其他國家和地區(qū)657318.5前10位國家新增裝機總量

288983.26全球總計35467100.0

8一、風電發(fā)展現(xiàn)狀與展望

國家MW份額（%）中國9142428.8美國6109119.2德國3425010.8西班牙229597.2印度201506.3英國105313.3意大利85522.7法國82542.6加拿大78032.5丹麥47721.5其他國家和地區(qū)4835215.2前10位國家累計裝機總量

26978584.8全球總計318137100.02013年，全球風電市場的特點：中國繼續(xù)領(lǐng)跑全球風電市場，新增裝機1610萬千瓦，

占45.4%市場份額；加拿大增長強勁，新增裝機激增至160萬千瓦，

比2012年增加了71.1%；

美國政策波動對全球市場打擊沉重，新增裝機1084MW，比2012年13124MW銳減12000MW。9一、風電發(fā)展現(xiàn)狀與展望

2、2013年的全球風電發(fā)展狀況

2013年，全球海上風電獲得有史以來最快的發(fā)展。

根據(jù)“BTM風電報告2013”的相關(guān)統(tǒng)計:海上風電新增裝機1721MW，占新增裝機容量的4.8%；海上風電累計裝機6837MW，占累計裝機總量的2.1%。2013年，歐洲依然是海上風電發(fā)展最快，新增裝機最多的區(qū)域。2013年，歐洲共有21個海上風電項目竣工，并網(wǎng)容量1567MW。10一、風電發(fā)展現(xiàn)狀與展望

2、2013年全球風電發(fā)展狀況

根據(jù)中國風能協(xié)會的計數(shù)據(jù):

中國新增裝機9356臺，新增裝機容量16088.7MW，同比增長24.10%，占全球新增風電裝機的45.39%；中國累計裝機63120臺，累計裝機容量91412.89MW；同比增長21.4

%，占全球風電裝機總量的28.47%

中國風電新增裝機和累計裝機均居全球第一。11一、風電發(fā)展現(xiàn)狀與展望

3.2013年中國風電發(fā)展狀況

2013年，中國海上風電獲進展緩慢。

根據(jù)中國風能協(xié)會的統(tǒng)計:海上風電新增裝機39MW，占新增裝機量的0.24%；海上風電累計裝機355.9MW，占累計裝機量3.89%。2013年，中國海上風電39MW的裝機均在潮間帶地區(qū)，比2012年

下降了69%，這主要是與中國海上風電發(fā)展的各個方面

準備不充分有關(guān)。12一、風電發(fā)展現(xiàn)狀與展望

3.2013年中國風電發(fā)展狀況

●《“十二五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》：到2015年，

并網(wǎng)風電裝機容量：10000萬千瓦（100GW）

風電年發(fā)電量：1900億千瓦時

●2013年實際情況：

風電累計裝機容量91.42GW，

風電累計并網(wǎng)容量75.48GW；

風電年發(fā)電量1401億千瓦時，占總發(fā)電量的2.62%。

●

《可再生能源法》非水電可再生能源強制性市場份額：

非水可再生能源發(fā)電量占電網(wǎng)總發(fā)電量的3％以上。

13一、風電發(fā)展現(xiàn)狀與展望

4、中國可再生能源及風電發(fā)展展望中國已在風能資源主要集中地區(qū)：內(nèi)蒙古的蒙東和蒙西、新疆哈密、甘肅酒泉、河北壩上、吉林西部和江蘇近海，建設(shè)7個千萬千瓦級風電基地。這些地區(qū)的陸上50m高度以上風能資源的潛在開發(fā)量約18.5億kW（71.7%）。目前，我國環(huán)境問題已經(jīng)引起國家和政府的高度重視，減少有害氣體排放，減少空氣中細顆粒物含量已經(jīng)成為政府和公民的共識，這些均為風電發(fā)展提供了良好的支撐條件。14一、風力發(fā)電現(xiàn)狀與展望

4、中國可再生能源及風電發(fā)展展望15目錄

二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

1、大型風電機組帶來了葉片的大型化

2、大型風電葉片新技術(shù)的應(yīng)用

3、風電葉片發(fā)展的新動向

1.大型風電機組帶來了葉片的大型化

典型的大功率風電機組及葉片–已安裝2004年底，Repower在德國安裝了第一臺5.0MW試驗機組（5M）拉開了大型風電機組發(fā)展的序幕。5M型機組采用了LM公司配套開發(fā)的P2葉片，葉片長度61.5m，葉輪直徑126m。2012年

月，首臺6MW機組安裝在比利時海上風電場。2005年，阿海法公司（德國Multibrid）安裝了第一臺5MW風電機組M5000。風機葉輪直徑116m，采用碳纖維結(jié)構(gòu)的葉片，單只葉片重量為16.5噸。2011年，洲風能協(xié)會海上風電大會上，該公司介紹了葉輪直徑135m的同類型M5000機組。2007年，Enercon公司在德國安裝了目前世界上最大的風電機組E-126，單機容量6MW，葉輪直徑127m?，F(xiàn)已升級為7MW。

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二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

1.大型風電機組帶來了葉片的大型化典型的大功率風電機組及葉片–開發(fā)的新風機2011年，阿爾斯通公司推出了6MW海上風力發(fā)電機組，葉輪直徑150m，葉片采用LM公司為其開發(fā)的73.5P葉片，葉片長度73.5m。2011年，西門子相繼推出了兩款海上風電機型:

SWT-6.0–120，葉輪直徑120m，

SWT-6.0-154，葉輪直徑154m，葉片（B75）長75m。

2012年，Vestas推出的V164-7.0MW機組，葉片長度達到了80m。2014年1月，Vestas宣布第一臺8MW海上風電機組V164-8MW發(fā)電，V164-8MW風電機組是目前全球最大的機組。其塔筒高度140m，葉尖最高220m，掃風面積超過2.1萬m2。

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二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

1.大型風電機組帶來了葉片的大型化

典型的大功率風電機組及葉片–國內(nèi)情況2011年，華銳風電的5.0MW風電機組SL5000和6.0MW風電機組SL6000分別安裝，葉輪直徑128m，葉片長度62m，由中復(fù)連眾配套開發(fā)。2012年7月，中船重工的5MW風電機組下線，葉輪直徑154m，配套的葉片長度

75m。

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二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

2.大型風電葉片新技術(shù)的應(yīng)用–新型葉片結(jié)構(gòu)復(fù)合材料葉片大型化帶來的難題：制造難度增加：隨著葉片長度的增加，模具重量增加，為了保證葉片的制造精度，模具剛度也需要提高；運輸難度增加：當葉片達到一定長度時，葉片的運輸變得更加困難，現(xiàn)有公路的轉(zhuǎn)彎半徑、橋梁和涵洞的尺寸受到限制。新的葉片結(jié)構(gòu)：分段式葉片：E-126風電機組G128-4.5MW風電機組

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二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

2.大型風電葉片新技術(shù)的應(yīng)用–新型葉片結(jié)構(gòu)分段式葉片：E-126風電機組：Enercon公司的風電機組E–126風電機組

，單機容量7.58MW，葉輪直徑127m。葉片采用兩段式葉片設(shè)計：靠近葉根部分一段的葉片由金屬制成，長22m，葉片前端由玻璃纖維環(huán)氧復(fù)合材料制成，長度約35m。

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二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

分段式葉片：E-126風電機組：21

二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

分段式葉片：E-126風電機組：22

二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

分段式葉片：G-128風電機組：

2009年，歌美颯在西班牙安裝了第一臺G128-4.5MW風電機組，葉輪直徑為128m，額定功率4.5MW。葉片采用兩段式設(shè)計，兩段均為復(fù)合材料，葉片總長為62.5m，其中，葉根段長度30.5m，葉尖段長度32m，接合處通過螺栓連接件連接。

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二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

歌美颯分段式葉片專利：CN1957178A

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二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

2.大型風電葉片新技術(shù)的應(yīng)用–新型葉片結(jié)構(gòu)國內(nèi)分段式葉片葉片的研制情況（截至到2010年）：華銳風電：2010年申報了發(fā)明專利；中船重工海裝：2010年獲實用新型專利；許繼：2010年獲實用新型專利；

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二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

2.大型風電葉片新技術(shù)的應(yīng)用–新材料的應(yīng)用目前，新開發(fā)大型風電機組的葉片通常超過70米，如：

LM公司為阿爾斯通6MW風電機組研制的73.5P葉片，長度為73.5m；西門子的SWT-6.0-154風電機組，葉片B75的長度為75米；維斯塔斯的V164-7.0MW風電機組，葉片長度達到了80m。為了使得這類大型復(fù)合材料葉片的各項技術(shù)指標滿足設(shè)計要求，除了優(yōu)良的氣動設(shè)計外，葉片材料的應(yīng)用技術(shù)需要不斷的創(chuàng)新，如，增強材料和基體材料的創(chuàng)新。

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二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

2.大型風電葉片新技術(shù)的應(yīng)用–新材料的應(yīng)用

◆碳纖維的應(yīng)用技術(shù)

大型復(fù)合材料葉片結(jié)構(gòu)的輕量化為碳纖維應(yīng)用帶來了機遇，碳纖維開始陸續(xù)在大型葉片的主承力部位應(yīng)用，如承載主梁、后緣增強、根部等。目前，常用的碳纖維類型：小絲束碳纖維：日本東麗：T620、T700S大絲束碳纖維：美國卓爾泰克：P35T620是東麗專門為風電葉片開發(fā)。

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二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

◆碳纖維的應(yīng)用技術(shù)風電葉片常用的增強材料性能

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二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

玻璃纖維碳纖維性能AdvantexH-glassT620ST700SP35拉伸強度MPa22063060440049003800拉伸模量GPa7486235230242斷裂伸長率%＞3%＞3%------2.11.5密度g/cm3

2.622.521.771.8------熱膨脹系數(shù)×10-6/℃64.1-------－0.38------

2.大型風電葉片新技術(shù)的應(yīng)用–新材料的應(yīng)用

◆碳纖維的應(yīng)用技術(shù)問題：高剛度可以提升葉片的整體剛度，這是毋庸置疑的；但是，作為混雜結(jié)構(gòu)的大型葉片，需要注意以下情況：環(huán)境引起的熱應(yīng)力（單向）/殘余應(yīng)力（層合）；碳纖維良好的導(dǎo)電性帶來的防雷系統(tǒng)的復(fù)雜性；制造工藝的特殊性（纖維直徑小/空隙小、流動困難）等。

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二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

2.大型風電葉片新技術(shù)的應(yīng)用–新工藝技術(shù)

–熱應(yīng)力/殘余應(yīng)力的影響復(fù)合材料葉片的固化過程實際上就是線形的熱固性樹脂（環(huán)氧、不飽和聚酯、乙烯基酯等）交聯(lián)為不溶不熔的體型結(jié)構(gòu)過程。當有溫差存在時，就會產(chǎn)生熱應(yīng)力。單向復(fù)合材料的熱應(yīng)力主要的參數(shù)（碳纖維更突出）：｛σL｝=［Q］（｛εL｝-｛αL｝·

ΔT）

σL

---單層板主方向上的熱應(yīng)力

Q

---剛度系數(shù)，與模量E、泊松比ν有關(guān)（CF的Q大）

εL

---熱應(yīng)變

αL

---熱膨脹系數(shù)（CF的αL小，T700Sα-0.38?10-6/°C）

ΔT

---溫度差（如最高成型與最低使用溫度80

~

-30/°C）

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二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

2.大型風電葉片新技術(shù)的應(yīng)用–新工藝技術(shù)

–熱膨脹系數(shù)的影響

可以通過以下公式預(yù)測單向復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)：

αf

Ef

Vf

+

αm

Em

Vm

αL

=

---------------------------------------

Ef

Vf

+

Em

Vm在樹脂基復(fù)合材料中，樹脂基體的熱膨脹系數(shù)比增強材料要高于一個數(shù)量級以上，更容易發(fā)生熱變性，因此，復(fù)合材料的橫向熱變性高于縱向變形。這種特性在應(yīng)用碳纖維時應(yīng)特別注意。復(fù)合材料葉片是一個層合結(jié)構(gòu)，當葉片從固化溫度降至環(huán)境溫度時，層合結(jié)構(gòu)就會產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這種殘余應(yīng)力將影響葉片的強度。31

二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

2.大型風電葉片新技術(shù)的應(yīng)用–新材料的應(yīng)用

適合樹脂真空導(dǎo)入成型的樹脂體系目前，風電葉片常用的樹脂系統(tǒng)主要由：環(huán)氧樹脂體系不飽和聚酯樹脂體系我國商業(yè)化的風電葉片主要以適合真空導(dǎo)入的低粘度環(huán)氧體系作為基體材料。但是，隨著葉片尺寸和厚度的增加，對環(huán)氧樹脂體系也提出新的要求：樹脂體系固化過程的放熱量應(yīng)該更低；樹脂體系在工藝過程中應(yīng)保持良好的流動性，尤其碳纖維葉片。

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二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

2.大型風電葉片新技術(shù)的應(yīng)用–新材料的應(yīng)用

◆適合大型葉片的樹脂體系–放熱低比如，葉片成型時的溫度記錄表明，葉片固化時：承載主梁表面溫度為70

~

75℃；葉片根部的表面溫度可達75~85℃；葉片內(nèi)部的溫度會更高（甚至超過100℃）。為此，專業(yè)的樹脂制造商為大型葉片開發(fā)出了低放熱的環(huán)氧樹脂體系。33

三、大型復(fù)合材料葉片的材料應(yīng)用技術(shù)

◆低放熱的樹脂體系34

三、大型復(fù)合材料葉片的材料應(yīng)用技術(shù)

◆

適合樹脂真空導(dǎo)入成型的樹脂體系–流動性好

大型復(fù)合材料葉片不僅要求樹脂體系在交聯(lián)反應(yīng)過程中應(yīng)具有較低的放熱，還需要具備良好的流動性，尤其是樹脂體系在成型過程中，其粘度隨時間變化緩慢，以適應(yīng)大型葉片長時間灌注的工藝需求。這一點在進行碳纖維葉片制作時尤為突出。一般地，葉片用玻璃纖維的直徑多為17

~

21

μm，纖維之間存在的孔隙較大，有利于樹脂的流動；而葉片所用碳纖維直徑僅為7

μm，纖維之間的孔隙較小，樹脂的流動阻力比較大，流動困難。新型的環(huán)氧樹脂可以很好地改善其流動性能，并針對碳纖維葉片開發(fā)出專用樹脂體系。35

二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

◆

適合樹脂真空導(dǎo)入成型的樹脂體系–流動性好復(fù)合材料葉片在真空導(dǎo)入工藝的理論基礎(chǔ)就是液體通過多孔介質(zhì)流動的達西定律：

36

三、大型復(fù)合材料葉片的材料應(yīng)用技術(shù)

◆

適合樹脂真空導(dǎo)入成型的樹脂體系–流動性好37

二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

◆

適合表面保護材料隨著風電葉片的旋轉(zhuǎn)直徑的增加，葉片尖部的線速度成倍增加：

1.5MW-77m，18rpm，V

=

260

km/h（動車）5.0MW-126m，12rpm，V

=

284

km/h

7.0MW-164m，10.5rpm，V

=

325

km/h（高鐵）此時，應(yīng)該考慮葉片：現(xiàn)用的表面涂層的材料系統(tǒng)是否合適？現(xiàn)用的涂層厚度是否能滿足要求？

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二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

2.大型風電葉片新技術(shù)的應(yīng)用–新材料的應(yīng)用

適合表面保護材料適合海上風電的葉片表面保護材料及評價標準

隨著風電葉片的旋轉(zhuǎn)直徑的增加，葉片尖部的線速度成倍增加，應(yīng)該考慮葉片：現(xiàn)用的表面涂層的材料系統(tǒng)是否合適？現(xiàn)用的涂層厚度是否能滿足要求？

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二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

2.大型風電葉片新技術(shù)的應(yīng)用–新工藝技術(shù)

復(fù)合材料風電葉片制造技術(shù)現(xiàn)狀成型工藝：預(yù)浸料鋪放/真空袋壓成型（Vestas、Gamesa）

樹脂真空導(dǎo)入/真空袋壓成型（大多數(shù)葉片制造商）

成型方式：分步制作/膠粘成型（大多數(shù)葉片制造商）整體成型（西門子）

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二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

2.大型風電葉片新技術(shù)的應(yīng)用–新