風電領域用碳纖維材料的機遇與挑戰

風能產業從誕生之初,就不得不與其他形式的發電產業進行競爭。風能生產商不僅要面對這場電力市場戰爭,而且還要為爭奪風能市場份額而開戰爭。這兩場戰爭都歸結為需要通過增加能量捕獲來提高風能的經濟性,這就促使陸上和海上系統的渦輪機和葉片尺寸迅速增加。

海上渦輪機正迅速從3MW發展到下一代額定功率為5MW或更大的渦輪機,在這種渦輪機上,陸上和海上系統的葉片長度通常超過45米/148英尺。隨著葉片的增長,葉片結構從玻璃纖維轉換成更硬、更輕的碳纖維便開始有意義了,盡管后者的前期成本可能會更高。

 

碳纖維已經成為渦輪機制造商Vestas Wind Systems A/S(丹麥奧胡斯)和Gamesa technology Corp.(西班牙比斯卡亞)的特色技術,這兩家公司幾年前都采用了碳纖維,在葉片的特定結構部件中使用碳纖維,并在整個渦輪系統中利用了重量更輕的葉片。

較輕的葉片意味著可以不需要那么堅固的渦輪和塔架組件,因此,級聯成本節約證明了碳纖維的額外成本是合理的。來自碳纖維制造商Zoltek Corp.(美國密蘇里州圣路易斯市)風能執行副總裁Philip L.Schell博士證實,Vestas和Gamesa通過使用碳纖維的設計了渦輪機,且整個系統的成本低于全玻璃纖維葉片的系統。

 

通過使用碳纖維,Vestas維斯塔斯可以在不增加重量的情況下增加5米的葉片長度。維斯塔斯V112-3MW渦輪機設計用于低風速和中等風速區域,并配有三個54.6米葉片,這些刀片的寬度與公司44米的刀片相同,但它們所覆蓋的區域要大55%,其結果是相當高的能量輸出。

 

近期,通用電氣能源(GE Energy)也加入了這場競爭,在其下一代風力機葉片(包括其1.6-100渦輪的48.7米葉片)中指定采用了碳纖維。值得注意的是,通用電氣可能會使用碳纖維來增加其1.6MW系統的葉片長度,這最終將推動更多的風能公司采用碳纖維。

 

風電應用中的碳纖維機遇

對現有的渦輪設計進行改造,使其具有更長的葉片,并將其與碳纖維結合,已成為市場化的捷徑,因為碳纖維的優勢就在于它可以在不增加重量的情況下增加葉片長度。目前,碳纖維主要用于陸上和海上系統長45米以上的翼梁或結構構件。碳纖維較高的剛度和較低的密度允許更薄的葉片輪廓,同時產生更硬、更輕的葉片。據測算當從全玻璃纖維葉片轉換為帶有碳纖維增強翼梁帽的葉片時,至少可以減輕20%的重量。海上風電系統——最小的渦輪機額定功率為3MW——將特別受益于碳纖維的特性。

相關技術人指出,一個100米長的完全由玻璃纖維制成的葉片可能重達50噸(110231磅)。通過加入碳纖維來實現20%到30%的重量節省時,這就可以節省15噸(33069磅)的重量。在傳統的陸上葉片設計中,spar cap翼梁帽是最適合使用CF的區域,但也有公司在葉片根部使用混合玻璃纖維/碳纖維增強材料,如通過在后緣加入了碳纖維,可以調整葉片的一些固有頻率,因為碳纖維可以在氣動彈性剪裁中發揮作用。

 

風電應用中的碳纖維挑戰

但是,使用碳纖維代替玻璃纖維也會給加工帶來了新的挑戰。碳纖維具有較低的損傷容限,其抗壓強度受纖維排列的影響很大。此外,在真空灌注過程中,模塑機在實現纖維濕潤方面遇到了更大的困難。鑒于此,風葉制造商傾向于使用更昂貴的預浸料產品。

近年來,碳纖維預浸料在纖維方向的抗壓強度方面有了顯著的改善,其中很多都來自于改進的制造和預浸料工藝。然而,在纖維排列方面,仍需在這方面取得重大進展。碳纖維需要完美的纖維排列,而且必須快速固化,即使是微小的偏差也會導致壓縮強度和疲勞強度顯著降低。

 

Hexcel公司開發的HexPly單向(UD)碳纖維預浸料具有專利的網格技術,可幫助在真空袋處理厚碳纖維UD層壓板時排除空氣,低空隙率通過確保碳纖維性能轉化為層壓板來提高機械性能。網格技術被納入該公司的HexPly M19G碳纖維UD預浸料,固化速度比Hexcel的標準固化產品快15%到20%,M19G固化所需能量較少,適用于葉殼、翼梁和葉根端部。

自動鋪層也可以提高質量。通常,翼梁帽可能需要45到50層預浸料,但隨著葉片尺寸的增長,結構可能需要100層或更多層。因此,如果試圖在一個長36.6-61米、寬600毫米的翼梁帽工具中鋪設80層預浸料,這對任何人來說都是一個挑戰。這就是為什么Zoltek通過其子公司Entec復合材料機械公司提供了專門設計用于安裝在翼梁帽工具上的纖維對準系統。機器會自動將每層預浸料以適當的張力和對齊方式正確放置到工具中。

 

此外,另一個需要改進的領域是斷裂韌性。斷裂韌性主要與所使用的樹脂和樹脂/纖維的相互作用有關,但它對零件的疲勞壽命和層間的分層影響很大。

 

碳纖維的供需情況

由于這些尺寸日益增長的大型風葉片所需的碳纖維數量巨大,因此葉片制造商在未來10年內的碳纖維消耗量很有可能會超越航空航天制造商。復合材料預測與咨詢公司預測分析,2019年全球將生產27000臺風力渦輪機和82000個葉片,碳纖維將占每個葉片所有復合材料的6%。

 

GE公司計劃使用24K或更大絲束的標準模量碳纖維來加工1600個下一代48.7m 葉片的主要結構。此外,據悉僅2012年,GE通用電氣能源預計消耗約3000噸碳纖維。GE和其他希望在葉片設計中添加碳纖維的公司擔憂是,隨著需求的增加,大絲束、標準模量碳纖維是否會有可靠的供應?

 

有專家指出在碳纖維供應、產能和價格方面的一致性無疑是該行業的一個擔憂,但未來將會有兩個碳纖維市場出現——一個專注于航空航天,另一個則專注于工業應用。事實上,Zoltek已經將所有的牌都投入到了工業領域,圍繞著不僅向風能行業,而且向汽車行業提供標準模量的碳纖維產品(粗紗、預浸料和織物)來建立自己的業務。目前,Zoltek在全球風力渦輪機葉片上提供了20000噸的碳纖維。

 

以往風電葉片廠商擔心碳纖維會供應不足,但似乎現在已經不是一個問題了。Zoltek現在擁有超過13000噸(約2860萬磅)的工業級碳纖維產能,并計劃在未來五年“大幅”提高產能,主要擁有支持風能產業。但值得關注的是,一旦航空航天、風能以及海上業務的迅猛發展,可以預期碳纖維的需求將大幅增長,供應商是否會做好準備值得商榷,尤其是對于飛機上使用的高質量、高模量航空航天級碳纖維而言,這可能是一個更大的問題。

 

供應問題和碳纖維價格昂貴,價格是E玻璃纖維的10至20倍,這可能會繼續使一些制造商在使用CF設計新葉片之前猶豫不決,因此有些公司為客戶設計時會提出兩種葉片方案,它可以用碳纖維、也可以不用碳纖維來建造。

 

LM風力發電公司(丹麥科爾?。┱趯ふ以诖笮腿~片中使用碳纖維的方法。該公司最近在法國沿海的一個6MW渦輪機上安裝了73.5米的玻璃纖維/聚酯葉片。然而,全球風能市場的競爭是激烈的,尤其是在中國,幾十家公司都在爭奪世界領先的風能市場。這些參與者將傾向于使用可以為其提供競爭優勢的材料和流程,總之,下一代風葉將使用越來越多的碳纖維。
(來源:碳纖維及其復合材料技術)

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