碳纤维及复合材料在风电叶片中的应用进展.ppt

中国复合材料集团有限公司碳纤维及复合材料在风电叶片领域的应用进展陈 虹中国复合材料集团有限公司2013 年07 月25 日中国复合材料集团有限公司碳纤维在叶片中应用的技术发展全球风电产业发展现状中国复材风电 叶片碳纤维在风电领域的应用进展碳纤维在叶片中的应用优势中国复合材料集团有限公司2012全球累计装机风电容量 282GW，占全球发电总装机5%；我国累计风电装机容量75GW，占全球26.8%，居第一全球320GW中国93GW预计2013年全球风电产业发展现状1998-2012全球累计装机容量(GW)3中国复合材料集团有限公司全球风电产业发展现状2012全球新增装机容量44.7GW我国新增装机容量13.2GW，占 全球新增总装机的30%，居第一(GW)1998-2012全球新增装机容量4中国复合材料集团有限公司2012年各国新增装机容量单位：MW2012年，我国新增装机容量为13200MW；截至2012年底，我国累计装机容量达到了75564MW。全球风电产业发展现状中国复合材料集团有限公司2012年全球累计海上风电装机容量5410MW（同比增长31.4%）全球新增海上风电装机容量1292MW中国海上风电完成吊装容量395MW海上风电10MW 和12MW 海上风力机组的已启动研发风轮 直径约200m全球风电产业发展现状中国复合材料集团有限公司主机商：金风（3MW、6MW）、华锐（3MW、5MW、6MW）联合动力（3MW、6MW）、明阳（3MW、6MW）东汽（3MW、5.5MW）、湘电（5MW）、上海电气（3.6MW、6MW）叶片生产商：曾多达经近百家，经过近几年的激烈竞争，目前能够批量供货的制造商不足10家。中国复材、中材科技、中航惠腾、LM;东汽、国电、明阳、上海玻钢院、VESTAS、GAMESA中国风电产业发展现状中国复合材料集团有限公司风电发展目标根据可再生能源发展“十二五”规划n 到2015年，风电并网容量大约为120GW，需要每年新增装机15GW 以上;n 2020年，我国风电并网目标要达到200GW;n 全球风能理事会预测2020年中国风电装机容量达到250GW。中国风电产业发展现状8中国复合材料集团有限公司海上风电目标和建设重点 风力发电厂正从内陆及大陆沿海地区逐步转向海上；2020年前，中国将在江苏南通、盐城、上海、山东鲁北浙江杭州等海湾建设几个百万千瓦级海上风电基地；到2015年底，我国海上风电累计装机有望达5GW，中国风电产业发展现状中国复合材料集团有限公司碳纤维在叶片中应用的技术发展全球风电产业发展现状中国复材风电 叶片碳纤维在风电领域的应用进展碳纤维在叶片中的应用优势中国复合材料集团有限公司叶片塔架轮毂齿轮箱发电机风机主要零部件：叶片、齿轮箱发电机良好的设计和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素碳纤维在风电叶片中的应用优势中国复合材料集团有限公司风轮直径陆上风机海上风机风力发电机成长与发展之路风力发电机成长与发展之路5MW3.6MW10MW2.5MW1.5MW750KW500KW300KW100KW50KW（米）碳纤维在风电叶片中的应用优势中国复合材料集团有限公司Enercon 的6MW,7MW 风 电 机 组 已 成 功 运 行；GE 的7MW和Vestas 的10MW 机 组 正 在 研 制 中；中 复 连 众 的6MW 风 电 叶 片已成功吊装。大型化是风机及叶片发展的必然趋势轻质/高强/刚性好风机旋转半径与叶片质量的关系-几乎呈立方关系叶片长度的增加，单纯的玻纤材料很难满足叶片的设计要求。碳纤维在风电叶片中的应用优势13中国复合材料集团有限公司提高叶片强度，减轻叶片重量碳纤维叶片玻纤叶片叶片长度/（米）碳纤维在风电叶片中的应用优势随着叶片长度的增加，为了减轻叶片重量，同时又提高刚度，碳纤维就成了解决这一设计难题的首选纤维材料。叶片重量/（千克）碳纤维叶片玻纤叶片叶片长度/（米）中国复合材料集团有限公司 重量轻：在满足刚度和强度要求的条件下，比玻纤叶片轻 20%以上 低负荷更轻的变桨轴承、偏航系统、风机轮毂、塔筒更易操作，运输及吊装减少组件大小、重量、成本扰度更小，机翼部分更薄:机翼气动效率更高，提高风能利用率和年发电量动力问题少预弯少，垂悬部分小碳纤维在风电叶片中的应用优势中国复合材料集团有限公司成本：综合风力发电成本降低运输、吊装成本相对降低对机组相关部件的强度和刚度要求降低，使用寿命延长 风力发电机组的整体性能和效率提高定期检修、维护成本降低在不提高轴承、根部紧固件、风机轮毂负荷的情况下可以增加叶片的长度，在同一平台上能捕捉更多能量碳纤维在风电叶片中的应用优势中国复合材料集团有限公司 在设计时，由于主要考虑到疲劳和扰度，因此设计者们通常无法充分利用玻璃纤维的静应变范围。碳结构静态时很稳定，在20年寿命期间，其疲劳损伤很小。碳纤维在风电叶片中的应用优势碳纤维预浸料浸渍无碱玻璃纤维材料循环应变幅度疲劳循环次数 N疲劳性能中国复合材料集团有限公司叶片长度（m）叶 根 弯 矩静态玻璃纤维静态碳纤维疲劳玻璃纤维疲劳碳纤维碳纤维在风电叶片中的应用优势中国复合材料集团有限公司19玻璃纤维 碳纤维性能 Advantex H-glass东丽T620S东丽T700SZOLTEKP3550K三菱丽阳P330 60k拉伸强度Gpa2.206 3.060 4.4 4.9 4.15 4.9拉伸模量GPa74 86 235 230 242 250断裂伸长率%3%3%1.87 2.13 1.71 1.96密度g/cm32.62 2.52 1.77 1.8 1.81 1.81风电叶片常用的碳纤维增强材料目前，叶片常用的碳纤维：日本东丽：T620/T700S美国卓尔泰克：P35中国复合材料集团有限公司 直径：7.2 微米 强度：4150Mpa 模量：242Gpa 密度：1.81 g/cc 用做“UD prepreg”单向预浸带 500-600 g/m2 编织布 725-875 g/m2 预浸后 预浸后供应价为$24/kg 干碳纤维用做单向带或多轴无纺织物时可以浸润树脂卓尔泰克Panex3550k风电叶片常用的碳纤维增强材料中国复合材料集团有限公司通过GL认证T620S 是日本东丽专门为风电叶片开发出的碳纤维。风电叶片常用的碳纤维增强材料中国复合材料集团有限公司CFRPT620 疲劳实验结果碳纤维在风电叶片中的应用优势1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07 1.E+08#of Cycles N600500400300200100 0Maximum Sress S MPa2500200015001000500 0应力范围 UD Fabric T620SSaertex T620SSaertex CF”A”环境：大气中温度：R.T.材质：CFRP载荷：控制波形：sin 波周波数：5Hz应力比：R=-11.00E+00 1.00E+01 1.00E+02 1.00E+03 1.00E+04 1.00E+05 1.00E+06 1.00E+07 E-glass/epoxy(Vf=53%)Lay-up and%0-material:45/0S,64%-0Laminate fabricated by:MSU中国复合材料集团有限公司假设风应力发生的频率是20年碳纤维在风电叶片中的应用优势中国复合材料集团有限公司等效破坏疲劳负载碳纤维在风电叶片中的应用优势中国复合材料集团有限公司叶片用碳纤维与玻璃纤维相比叶片用碳纤维复合材料与玻璃纤维复合材料相比：碳纤维在风电叶片中的应用优势25中国复合材料集团有限公司轮毂重量3叶片重量注：碳纤维预浸料减少叶片整体重量25-35%从而降低了轮毂的重量 重量（kg）风电机组组件重量比较碳纤维在风电叶片中的应用优势中国复合材料集团有限公司轮毂重量/叶片重量来源于美国国家能源部可再生能源实验室(NREL)WindPACT 报告轮毂质量（kg）=0.954 x（叶片质量）+5680轮毂成本=轮毂质量 x$4.25/kg轮毂质量 kg叶片质量，kg碳纤维在风电叶片中的应用优势中国复合材料集团有限公司 当主梁使用碳纤维增强复合材料时，与玻璃钢叶片比较，叶片重量减轻12%，且具有更高刚性，更高耐疲劳性。更低运输安装成本以及维修成本，延长风机使用寿命带来的成本的降低等优势。只在大梁处用碳纤维复合材料替换玻璃纤维复合材料大梁:GFRP大梁:CFRP根据东丽风能研究所资料(1.5MW)玻纤和碳纤在风电叶片上使用的比较中国复合材料集团有限公司叶片 WEI57-3000GWEI57-3000G2低扰度WEI57-3000C长度(m)57 57 57风轮直径(m)116 116 116额定功率(MW)3.0 3.0 3.0外壳材料环氧树脂浸渍无碱玻璃纤维环氧树脂浸渍无碱玻璃纤维环氧树脂浸渍无碱玻璃纤维主梁材料 浸渍玻璃纤维 浸渍玻璃纤维 碳纤维预浸料主梁设计 盒式梁(2腹板)盒式梁（2腹板）工字梁（1腹板）材料质量(Kg)主梁碳纤维预浸料 0 0 1,298主梁干玻纤+浸渍树脂 4,725 7,201 0所有其他玻纤+树脂 8,213 7,904 7,716巴尔沙木 875 750 926PVC泡沫 235 235 235粘合剂 286 286 286总计 14,334 16,376 10,461叶片成本主要材料成本($)碳纤维预浸料 23.5/kg$-$-$30,503干玻纤 3/kg$28,332$33,077$16,896环氧树脂 7/kg$24,460$28,556$14,587巴尔沙木 15/kg$13,125$11,250$13,890PVC泡沫 12/kg$2,820$2,820$2,820粘合剂 13.5/kg$3,861$3,861$3,861总计$72,599$79,564$82,557-27%+14%减重27%成本增加14%仅针对材料成本玻纤和碳纤在风电叶片上使用的比较（57m 叶片）中国复合材料集团有限公司仅针对材料成本*包括碳纤维/玻璃纤维混合材料蒙皮中的1085kg 碳纤维叶片 WEI74-7000G WEI74-7000C WEI74-7000C2长度(m)74 74 74风轮直径(m)153 153 153额定功率(MW)7 7 7外壳材料环氧树脂浸渍无碱玻璃纤维环氧树脂浸渍无碱玻璃纤维环氧树脂浸渍碳纤维/玻璃纤维主梁材料 浸渍玻璃纤维 碳纤维预浸料 碳纤维预浸料主梁设计 盒式梁（2腹板）工字梁（1腹板）工字梁(1腹板)材料质量(Kg)主梁碳纤维预浸料 0 3,598 3,598主梁干玻纤+浸渍树脂 14,281 0 0所有其他玻纤+树脂 23,413 23,831 18,322*巴尔沙木 2,125 2,344 1,377PVC泡沫 920 1,040 1,040粘合剂 620 480 480总计 41,360 31,293 25,201叶片成本主要材料成本($)碳纤维预浸料 23.5/kg$-$75,558$83,622干玻纤 3/kg$82,517$51,254$59,165*环氧树脂 7/kg$80,490$52,920$39,819芯材 15/kg$23,800$26,250$15,422粘合剂 12/kg$11,590$13,618$13,618根部紧固件 13.5/$10,415$8,064$8,064总计$208,812$227,664$219,710-24%-39%+9%+5%玻纤和碳纤在风电叶片上使用的比较（74m 叶片）中国复合材料集团有限公司叶片 WEI90-10K-G1 WEI90-10K-C WEI90-10K-C2长度(m)90 90 90风轮直径(m)185 185 185额定功率(MW)10.0 10.0 10.0外壳材料环氧树脂浸渍无碱玻璃纤维环氧树脂浸渍无碱玻璃纤维环氧树脂浸渍碳纤维/玻璃纤维主梁材料 浸渍玻璃纤维 碳纤维预浸料 碳纤维预浸料主梁设计 盒式梁(2腹板)工字梁（1腹板）工字梁（1腹板）材料质量(Kg)主梁碳纤维预浸料 0 4,500 3,850主梁干玻纤+浸渍树脂 21,150 0 0外壳干碳纤维+浸渍树脂 0 0 3,700所有其他玻纤+树脂 27,399 26,747 12,750巴尔沙木 2,600 2,700 1,950PVC泡沫 815 815 750粘合剂 991 991 991总计 52,955 35,753 23,991叶片成本主要材料成本($)碳纤维预浸料 23.5/kg$-$105,740$90,475干碳纤维 23.5/kg$0$0$56,830干玻纤 3/kg$106,313$58,571$27,920环氧树脂 7/kg$91,783$50,566$33,076巴尔沙木 15/kg$38,999$40,500$29,250PVC泡沫 12/kg$9,776$9,776$9,000粘合剂 13.5/kg$13,384$13,384$13,384总计$260,254$278,536$259,935仅针对材料成本-32%-55%+7%0%碳纤维叶片质量较轻，成本与玻璃纤维叶片相近玻璃纤维：53 mt碳纤维：36mt碳纤维2*：24mt*C/G 蒙皮玻纤和碳纤在风电叶片上使用的比较（90m 叶片）中国复合材料集团有限公司中国复材6MW：65m 纯玻纤叶片28吨，碳纤维叶片20吨，减重30%碳纤维叶片LM 5MW 61.5m：17.74吨Gamesa 2MW 44m：5.8吨连众 39.2m：5.8吨Vestas 3MW 44m：6吨玻璃钢叶片Enercon 4.5MW 54m：20吨Gamesa 2MW 39m：7.3吨连众 37.5m：5.8 吨Vestas 2MW 39m：6吨重量比较碳纤维在风电叶片中的应用优势中国复合材料集团有限公司碳纤维在叶片中应用的技术发展全球风电产业发展现状中国复材风电 叶片碳纤维在风电领域的应用进展碳纤维在叶片中的应用优势中国复合材料集团有限公司叶片根部增加叶片的抗弯矩承力主梁提高叶片的强度和刚度蒙皮或外壳部分增强叶片的表面强度和耐腐蚀性能原料：单向碳纤维预浸料和碳纤维 多轴向织物。工艺：真空辅助成型工艺(VARTM)或树脂膜渗透（RFI）工艺。碳纤维在叶片中的主要应用部位和作用碳纤维在叶片中应用的技术发展中国复合材料集团有限公司碳纤维复合材料主梁结构形式：CF基体材料 GF基体材料CFRP 层GFRP 层CFRP 层GFRP 层CF GFl 全碳纤维复合材料主梁碳-玻璃混合纤维复合材料主梁截面示意图l 碳-玻璃混合纤维复合材料主梁碳纤维在叶片中应用的技术发展中国复合材料集团有限公司迎风面迎风面主梁（碳纤维复合材料）背风面 背风面主梁l 非对称全碳纤维复合材料梁l 碳纤维复合材料条带加固主梁碳纤维复合材料条带 降低作用在内支撑梁的受力和扭矩，并且降低在壳体外周围附近的薄层上的抵抗拉力和压力的抗力，给叶片提供一个关于边缘弯曲模式的改良的结构效率。碳纤维在叶片中应用的技术发展中国复合材料集团有限公司叶根安装法兰处碳纤维复合材料补强碳纤维沿叶片长度方向取向 叶根处垂直于叶片长度截面示意图碳纤维复合材料在叶根处的应用设计CFRP 层GFRP 层碳纤维在叶片中应用的技术发展中国复合材料集团有限公司碳纤维复合材料叶根处增强：u 减小叶根壁的厚度u 增加叶根法兰处连接处的刚度，施加在螺栓的动态载荷减小，连接处的疲劳强度增加。u 提高了法兰的断裂强度和承载强度，使得螺母的尺寸减小，T 型螺栓的间距缩短，可增加叶根法兰处螺栓数量，从而增加叶片和轮毂连接处的静态和疲劳强度。碳纤维在叶片中应用的技术发展中国复合材料集团有限公司碳纤维应用到叶尖部位碳纤维复合材料在靠近叶尖处的应用设计叶尖部分重量减小，减小了叶根部分在涡轮上的负载，叶尖部分刚度增加，可以减小叶片偏斜太厉害导致叶片的尖部打击涡轮毂杆塔的危险，并且比只由碳纤维复合材料构成的叶片生产成本低。碳纤维在叶片中应用的技术发展中国复合材料集团有限公司 碳纤维复合材料加固分段叶片，便于大型叶片的运输，同时形成具有非常高的抗拉强度的连接接头，确保风轮机叶片和连接接头即使在极端气象条件仍能正常工作。分段叶片连接处碳纤维复合材料条带碳纤维复合材料加固分段叶片碳纤维在叶片中应用的技术发展中国复合材料集团有限公司CFRP 不透明，难以用肉眼进行内部检查，需借助无损检测技术进行质量检测无损检测手段：超声、声发射、红外等碳纤维叶片的无损检测应用超声无损检测碳纤维主梁中国复合材料集团有限公司公司 叶片长度或风机功率 应用部位 碳纤/玻纤混合及工艺Vestas 44m/3.0MW主梁 全碳纤维Gamesa44m/2MW、62.5m/4.5MW主梁预浸碳纤/预浸玻纤交替NEGMicon 40m主梁 碳纤维增强NordexRotor 44、56m/5MW主梁 全碳纤维Repower 转轮直径126m主梁 碳纤和玻纤混合DeWind D8-2.0MW40m主梁 预浸碳纤梁帽嵌入蒙皮GE 48.5m主梁 全碳纤维LM 61.5m/5MW主梁 全碳纤维AREV A 阿海珐 56.5m/5MW主梁 全碳纤维南通东泰电工2MW主梁 全碳纤维中材叶片56m/3MW主梁 全碳纤维中国复材39.2m/2MW主梁 全碳纤维碳纤维复合材料梁的应用实例中国复合材料集团有限公司解决方案 价格高：性价比影响了它在风力发电上的大范围应用；技术问题：直径较小的碳纤维表面积较大，成型加工比较困难;大丝束碳纤维不易展开，使强度及刚度等性能受影响 制约碳纤维在大型风电叶片应用的因素研究大丝束碳纤维的应用技术研究真空灌注工艺用树脂体系研究碳/玻混杂复合材料中国复合材料集团有限公司未来碳纤维在全球风电叶片领域的估测用量（单位：吨）未来碳纤维在风电领域的用量估测碳纤维在风电行业中的应用前景目前碳纤维价格较前几年有大幅度的降低，风电叶片对碳纤维的需求将越来越多。Zoltek 公司多年来为风电叶片领域供应了约2万吨大丝束碳纤维。中国复合材料集团有限公司碳纤维在叶片中应用的技术发展全球风电产业发展现状中国复材风电 叶片碳纤维在风电领域的应用进展碳纤维在叶片中的应用优势中国复合材料集团有限公司2005年：中国复材成功自德国引进1.5MW 风力机叶片技术，率先成为国内能够自主生产兆瓦级风机叶片的大型企业。2007年1月6日：收购NOI 公司正式签约，成立海外全资子公司并设立研发中心，正式开展国际化经营。黑龙江富锦风场坝上风场威海风场中国复材风电 叶片中国复合材料集团有限公司可规模生产1.25MW-6MW、9个系列近30个型号风电叶片；3MW、5MW、6MW叶片已成功应用于海上风电场;5MW叶片于2012年通过GL认证;62m-6MW海上风电叶片于2011年10月在江苏盐城完成装机。10MW的风电机组正在设计中已经连续三年市场占有率达到20%以上。中国复材风电 叶片中国复合材料集团有限公司一个研发中心5个生产基地沈阳公司哈密HamiSINOI 公司包头公司连云港公司酒泉公司哈密公司具备年产1万片MW级叶片的生产能力 风机叶片制造方面，获得10项发明专利23项实用新型专利；共承担了9项国家级科技项目13项省级科技和产业化项目中国复材风电 叶片中国复合材料集团有限公司结束语u随着国家对风电等可再生能源发展的有力支持，推进了风力发电等可再生能源的产业化进程，为我国的大型复合材料叶片及高性能纤维材料产业提供了一个不可多得的发展机遇。u除最大型的叶片外,叶片结构材料成本可能会随着碳纤维 的增加而增加。u当考虑到其它问题如轮毂重量、运输、吊装和长期对机组载荷的降低作用时，碳纤维材料能减少风电场的系统成本。中国复合材料集团有限公司谢 谢