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碳纤维及其复合材料在风电机组全生命周期中的应用

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本文为SAMPE 特邀撰稿人  严兵、赵清新、许文前提供。


一、前言:风电的发展

风能是一种清洁的能源,人类使用风能的历史很早,例如发明帆船利用风能进行水上航行,比较有名的就是荷兰人利用风能改造低洼地,因此风车也成了荷兰的象征。1888年,美国人查尔斯•布鲁斯在克里夫兰建成第一座可以发电的风力发电机。它高17米,使用了144个叶片,发电能力为12干瓦。1891年,丹麦物理学家Poul La Cour发现,叶片较少但旋转较快的风力发电机效率高于叶片多但转速慢的风力发电机。应用这一原理,他设计建造了一座使用4个叶片、发电能力为25干瓦的风力发电机,这成为现代风力发电的模本。随着气动理论及相关技术发展,也促进和推动风电技术的进一步发展和理论的成熟,欧美的科学家对风力发电机的研究也进一步深入。1941年,美国Smith公司建造了由工程师Putnam 设计的大型风力发电机(Smith-Putnam风机),这是世界上第一个MW级风力发电机,该风机叶轮直径53米,逆风偏航设计,配有额定功率1.25MW同步发电机[1]


上个世纪70年代,能源危机的发生进一步促进了风电产业的发展。风能作为清洁能源的一种,被广泛接受,很多国家将其列为国家层面上的产业进行推广和扶持。进入1980年代,大型风力发电机的商业化应用逐渐展开,并首先出现在北欧(这与该地区的其它能源相对缺乏有关,以丹麦为代表),同时各种不同概念的风机相继出现,出现了形式多样的产品,随着市场的应用和竞争,水平轴三叶片风力发电机在竞争中逐渐胜出,成为了商业应用的主流,并涌现出维斯塔斯、西门子、通用等世界级的风电巨头[2]


我国针对风力发电课题的研究始于1950年代,1986年在山东荣成建成我国第一个并网发电的风力发电场,此后风电产业发展迅速。我国的风能资源丰富,其中两大风带,如“三北地区”(西北、华北、东北)以及沿海地区,陆地可利用风能资源约3亿兆瓦,加上海上资源约10亿兆瓦。自上世纪九十年代,中国的风电行业迅速崛起:不但涌现出像金风科技、国电联合动力、远景能源、明阳科技等一批国际知名的风电企业,而且最近几年中国风电的新增装机容量一直稳居全球首位。全球风能理事会(GWEC)统计数据:2017年全球市场新增容量超过52 GW, 全球累计容量达到539.6 GW。 2017年,中国新增装机容量19.5GW,累计装机容量达到188 GW。目前中国总机容量占全球三分之一,新增装机容量占全球约四成。中国已经是名副其实的风电大国 [3-4] 


二、风电机组机构简介

市场上通用的风电机组如图所示,由基座、塔筒、机仓、叶片组成,其中:塔筒提升风机高度,并可以作为传输线路的通道;机仓内有各种发电机组和其他控制设备;而叶片是风力发电机组的关键部件之一,其设计、材料和工艺决定风力发电装置的性能和功率。


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图1、风电机组结构


在风电发展的100多年时间内,叶片材料先后出现了木材、布、铝合金等。但在发展过程中人们发现具有高比强度、可设计性强的复合材料成为商业级叶片的主体制造材料,而风电领域也成为复合材料最重要的应用领域之一。风电机叶片是一个复合材料制成的薄壳结构,一般由叶片大梁、腹板、外蒙皮组成,复合材料在整个风电叶片中的重量一般占到90 %以上。复合材料叶片最初采用的是廉价的玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂体系,直到今天这仍是大部分叶片采用的材料。但随着风机的功率的增加,叶片长度的不断增大,自身重量也不断增加,在很多场合已不能满足要求。在这种情况下,具备高强高模、低密度的碳纤维复合材料,成为了人们的重点考虑的对象。

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图2、风机叶片结构


目前碳纤维复合材料在风电叶片中已经有较多的应用,如叶片大梁、蒙皮等,其中以叶片大梁应用最多。叶片的大梁类似于人的脊椎,支撑起整个叶片,随着叶片越来越长,玻纤增强复合材料已经无法满足要求,必须要考虑使用性能更强的碳纤维复合材料。并且玻纤复合材料比较重,自身就消耗较多的能量,发电效率不高,为了提升风力发电机的发电效能,人们也更多的考虑使用密度更低的碳纤维复合材料。而碳纤维复合材料的使用具有以下优点:使风机叶片总量降低,碳纤维复合材料的高强度和高刚度,可以使叶片做的更长,发电功率更大;电机重量相应减轻,辅助设施也可以相应瘦身;运输、安装等难度降低,费用减少 ;功率增加,损耗减小,发电量增加等。


三、碳纤维及复合材料技术发展及在风电机组全生命周期的应用和优势

有研究工作者运用生命周期分析方法,对风力发电系统的六个阶段进行分析,具体如下:

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图3、风力系统生命周期流程图[5]


当然对于上述的风电系统的生命周期从原材料选材开始,我们以选材为碳纤维复合材料进行叙述。我们从风电机组本身出发,把上述风电机组生命周期过程简单归纳为部件及整机制造、运输、风场建造及安装、运维、报废等有比较直接关系的五个方面(如图4),并从这五个方面探讨碳纤维及复合材料在风电机组全生命周期的应用。

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图4、风电机组生命周期图


1. 部件及整机制造 

前文所述风电机组的主要分为叶片、机仓、塔筒三个部分,目前碳纤维及复合材料在风电的应用主要用于叶片,包括部分蒙皮、前缘、后缘等。

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图5、碳纤维在叶片上应用部位


目前碳纤维复合材料用的最多部分就是风电叶片的主梁,包括多家风电企业已经尝试应用。

表2、碳纤维在叶片中应用实例

公司

Company

叶片长度或风机功率

Length/Power

应用部位

Parts

说明

Remarks

Vestas

44 m/3 MW

主梁Spar

全碳纤维CF

Gamesa

44 m/3 MW62.5 m/4.5 MW

主梁Spar

预浸碳纤/玻纤交替CF/GF Hybrid Prepreg

NEG Micon

40 m

主梁Spar

碳纤维增强CF Reinforcement

Nordex Rotor

44 56 m/5 MW

主梁Spar

全碳纤维CF

Repower

转轮直径126 m

主梁Spar

碳纤和玻纤混合CF/GF Hybrid

Dewind

40 m/2 MW

主梁Spar

预浸碳纤梁帽嵌入蒙皮CF Prepreg

GE

48.5 m

主梁Spar

全碳纤维CF

LM

61.5 m/5 MW

主梁Spar

全碳纤维CF

AREVA

56.5 m/5 MW

主梁Spar

全碳纤维CF

东泰电工Dawntine

2 MW

主梁Spar

全碳纤维CF

中材叶片Sinoma

56 m/3 MW

主梁Spar

全碳纤维CF

中国复材CCGC

39.2 m/2 MW

主梁Spar

全碳纤维CF

目前碳纤维主梁的工艺主要有三种:预浸料工艺、碳布灌注工艺和拉挤碳板工艺。


表2、碳纤维应用在风电领域的主要工艺

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预浸料工艺制备碳纤维大梁,以手工方式铺放,生产复杂形状结构件的理想工艺,工艺及设备也成熟, 劳动环境比较差,效率低,成本很高,目前多在样机中使用,无法满足批量化使用的要求。碳布灌注工艺是目前多家风机及叶片厂家使用的工艺,该工艺比较成熟,对模具要求不高,模具制作简单,产品质量稳定性高,重复性能好,制品表观质量好,相同铺层厚度薄,强度高,但该工艺对碳布要求较高,且生产效率不高,成本也较高,制约了其推广。拉挤工艺是复合材料工艺中效率最高、成本最低的,而且纤维含量高,质量稳定,连续成型易于自动化,适合大批量生产。利用碳纤维拉挤板材制备叶片大梁可以和叶片一起制作,铺层工艺简单,利用该工艺制作叶片的时间只有灌注工艺的一半,但对叶型设计有较高要求。利用该工艺制作叶片大梁是维斯塔斯的核心,该公司开发成功后,开始大规模推广,目前该公司兆瓦级以上风机叶片都使用碳纤维复合材料,极大的推动了碳纤维在风电领域的应用,2016年全球碳纤维用量首次超过航空航天,成为碳纤维用量最大的领域,2017年风电使用的碳纤维2万4千多吨,维斯塔斯一家用量就在2万吨左右。2017年维斯塔斯总装机容量在约8700MW,以每台平均2MW,其装机约4300多台。维斯塔斯约2万吨的用量,平均每台风机用碳纤维4吨多。如果碳纤维在风电上得到推广,那么光风电一个领域,碳纤维使用量很可能就会超过十万吨。所以我们也希望国内碳纤维相关企业和国内风电企业引起足够的重视,并推动碳纤维在国内风电领域的应用。


而风电机组的其他部位也有碳纤维大展身手的机会。2002年,美国风塔系统公司开展了一项美国能源部资助的多年研发项目,以对更轻、更高兆瓦级以上风电机组塔筒进行商业化。该公司后改名“风塔复合材料公司(Wind Tower Composite),它开发和测试了 80m 高的 1.5 MW风电机组塔筒和零部件,这个最终被称为“空间框架”(Space Frame)的塔筒采用了碳纤维增强聚合物管进行改造,与钢制塔筒相比,重量降低了20 % ,生产成本降低了25 % 。通用电器也介绍了一种复合材料塔筒及其制备方法,其制备方法是采用缠绕成本工艺。 


机舱罩内部放置风力发电机的主机,主机多数由主轴、齿轮箱、机舱底座等组成。目前机舱罩主要用玻璃钢建造,随着风电机组的功率越来越大,其电机设备也会变大,机舱罩也会变得很大,这样普通的玻璃钢强度有可能不够,可以利用碳纤维复合材料进行加固。

2. 运输及安装

我们有的时候在路上看到拖车拉着长长的风电叶片,会感到很震撼,因为一般的产品不会有这么大。随着风电功率的增加,叶片的长度越来越长,其运输、安装的难度越来越大。


碳纤维复合材料用于叶片,将提高其轻量化效果,使其运输、吊装、安装等难度变小。此外,运输车辆及安装设备本身也可以利用碳纤维复合材料进行轻量化。


而且目前条件好的地区多已经被占用,所以新建的风电机组多处于山区或海上,需要进行基础建设,南京水利科学院和中南勘探设计院在某风电项目建设中,利用预应力拉挤板材对风电机组的基础承台进行加固,并取得了良好的效果。


此外,碳纤维复合材料的应用,使分段叶片连接处的结构设计难度大大下降。


3. 运维

为了保证风电机组的正常稳定和有效运行,并延长使用寿命,对机组的检查、维护等工作是必不可少的。


风电机组是全年全天的运行,有的地区夜晚温差,而一年四季的气温差别更大,在冬季高寒地区的温度达到零下数十度,将会造成叶片表面结冰。叶片结冰将会改变叶片的气动结构,同时结冰将使叶片重量增加,不仅改变发电效率还会危及风电机组的安全运行。另外,叶片运行的线速度很快,碎冰飞出去容易伤人。另外结冰太厚,机组需要停机进行除冰,将损失大量电能。而碳纤维除了轻量化,还有一个功能,就是在通电情况下,是良好的发热体,热转换效率98%以上。所有利用风电机组本身产生的电,碳纤维通电后发热,融冰除雪,是一个很好的选择。


叶片在运行过程中,远观看起来转动好像不是很快,实际上线速度最快可以达到数百公里以上,因此在迎风面叶片会受到很大的冲击。另外叶片都是在野外风吹雨淋、热胀冷缩,盐雾腐蚀等都会造成叶片的损伤,当损伤超过一定的大小,就会影响叶片的正常运行,因此就要对叶片进行检查。传统的方法是停机,对叶片进行人工检查。随着机器人和无人机技术发展,可以利用碳纤维机器人和无人机对叶片展开检查。


风电机组的使用寿命一般在20年左右,在这么长的时间内塔筒及础台等难免会损坏,特别海上或海边的风电机组。而这个方法可以参考桥梁等碳纤维加固方式,利用碳布或预应力碳板的加固方案。


4. 报废

当叶片完成其功能后,就需要拆解、报废,对于其中的碳纤维复合材料,如何回收利用,也是一个必须考虑的问题。当然,栏杆、装饰用品等多种方式被考虑过,但是随着报废量的增大,彻底的解决方案必须考虑。目前上海交大的杨斌老师主导的回收碳纤维项目就是针对类似情况,她通过高温裂解的方法回收碳纤维,可以回收其中有用的碳纤维。


四、总结

碳纤维目前四个领域应用最多,风电、航空航天、汽车和体育用品,2016年风电领域的用量首次超过航空航天成为首位,说明碳纤维在风电领域应用前景非常广泛,但目前碳纤维在风电中的应用主要集中在国外,国内许多还存在一些技术瓶颈。2016年全球碳纤维用量首次超过航空航天,成为碳纤维用量最大的领域,2017年风电使用的碳纤维2万4千多吨,预计未来几年碳纤维在风电上的应用还会持续性增长。以澳盛科技为例,2017年为风电领域提供碳纤维产品不到千吨,而2018年将超过2500吨,预计未来几年将实现翻倍的增长。澳盛科技也将以风电产业为突破口,结合澳盛科技的产业优势,积极打造国内首个碳纤维用量超万吨的领军性企业,扛鼎行业龙头地位,并通过量的优势,吸引技术资源,并进行提升。本文首次提出了碳纤维及复合材料在风电机组全生命周期中的应用,并促使更多风电企业的重视,并推动碳纤维在风电领域进一步的应用。


参考文献

[1] 马晓爽, 高日, 陈慧. 风力发电发展简史及各类型风力机比较概述[J]. 应用能源技术, 2007(9):24-27.

[2] 杜朝辉, 胡丹梅. 风力发电的历史、现状与发展[J]. 电气技术, 2004(10):5-13.

[3] 代齐. 风力发电机发展简史[J]. 中外能源, 2008(4):23-23.

[4] 刘峻豪. 风力发电的发展历史、现状及趋势综述[J]. 财讯, 2017(3).

[5] 李龙君, 马晓茜, 谢明超,等. 风力发电系统的全生命周期分析[J]. 风机技术, 2015, 57(2):65-70.


2018年10月25日 14:08
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