碳纖維在風電領域的近期技術進展一覽

2017-08-11 10:30:44 新材料視界　點擊量：評論 (0)

CFRP作為風電葉片的增強結構風能是最具成本優勢的可再生能源，風能發電在近10年來已取得飛速發展。截至2016年5月，全球風電裝機容量已近4 270億MW（表1）。并據預測，2020年前，新增風電裝機能力將按25%的年增長

CFRP作為風電葉片的增強結構

風能是最具成本優勢的可再生能源，風能發電在近10年來已取得飛速發展。截至2016年5月，全球風電裝機容量已近4 270億MW（表1）。并據預測，2020年前，新增風電裝機能力將按25%的年增長率遞增；到2020年，風力發電量將占世界總發電量的11.81%。

為提高風力發電機的風能轉換效率，增大單機容量和減輕單位千瓦質量是關鍵。20世紀90年代初期，風電機組單機容量僅為500 kW，而如今，單機容量10 MW的海上風力發電機組都已產品化。風電葉片是風電機組中有效捕獲風能的關鍵部件，葉片長度隨風電機組單機容量的提高而不斷增長。根據頂旋理論，為獲得更大的發電能力，風力發電機需安裝更大的葉片。1990年，葉輪直徑（Rotor Diameter）為25 m；2010年，葉輪直徑已達120 m。2011年，Kaj Lindvig預測海上風機的葉輪直徑2015年將達135 m，2020年將達到160 m。但這一預測很快就被突破，美國超導公司（AmericanSuperconductor Corp.）2016年已投入市場銷售的10 MW海上風力發電機的葉輪直徑就已達190 m。但因葉片長度的問題，業界就是否需發展10 MW及以上能力的風力發電機存有爭議，但主流觀點是需要發展的。西門子風電（Siemens Wind Power）公司首席技術官認為：面積與體積的關系的科學定律將最終限制葉輪直徑的不斷增長，但目前還未達到極限，制造10 MW風力發電機在技術上是可行的；且從運營效益上看，降低每兆瓦時的運營成本，必須提高風力發電機的容量（圖17）。

圖17 葉片直徑的增長過程

葉輪直徑的增加對葉片的質量及抗拉強力提出了更輕、更高的要求。CFRP是制造大型葉片的關鍵材料，其可彌補玻璃纖維復合材料（GFRP）的性能不足。但長期以來，出于成本因素，CFRP在葉片制造中只被用于樑帽、葉根、葉尖和蒙皮等關鍵部位。近年，隨著碳纖維價格穩中有降，加之葉片長度進一步加長，CFRP的應用部位增加，用量也有較大提升。2014年，中材科技風電葉片股份有限公司成功研制出國內最長的6 MW風機葉片，該葉片全長77.7 m、質量28 t，其中主梁由5 t的國產CFRP制成。如采用GFRP設計，則該葉片質量將約達36 t（圖18）。