大型风电叶片对碳纤维材料特性需求

近年来，随着全球环境危机意识增强以及可再生资源利用需求旺盛，风电产业发展越来越受重视。风电叶片作为风电机组中捕获风能的关键部件，其叶片长度与发电能力正相关，即：叶片长度越长、发电能力也越高。

随着风电叶片长度增大、叶轮直径增加，其对材料特性需求也越来越明确，轻质、高强、高刚、耐疲劳等，而碳纤维似乎兼顾了这些特性。

本文主要结合未来风电领域发展趋势，介绍随着叶轮直径大幅增加，在结构设计时对材料特性需求，并提出碳纤维何种发展趋势来满足要求。


背景介绍

基于全球各国环保意识增强，未来20年利用可再生资源实现发电的发展趋势如图1所示，其中可再生资源发电包括氢能发电、生物发电、风能发电、太阳能发电以及其他方式如地热发电等。


而对于风电领域，全球风电装机总量呈现高速增长趋势，尤其是对于超大型（＞2.5MW）以上十年增长了近50倍（图2）。


自上世纪80年代至2020年，国外风电叶片长度发展如图3所示，国外风电叶片长度最长已经达到126m。


伴随风电叶片长度增加，风电叶轮直径也大幅提高，由上世纪80年代50kw时15m提高到目前10MW时180m。


风电叶片结构设计及材料特性需求

1、结构设计要求：

随着风电叶片长度增加、叶轮直径增大，其结构设计要求越来越高，主要设计要求包括：
※ 叶片必须满足刚度要求以抵抗极端负荷；
※ 叶片具有优异耐疲劳特性，在其整个使用寿命期间必须承受疲劳载荷；
※ 叶片必须坚硬，具有一定强度，以防止在极端载荷下与塔架碰撞；局部刚度也必须足以防止极端载荷，局部刚度还必须足以防止受压组件的不稳定性（避免局部或整体屈曲）；
※ 叶片结构应尽可能轻，以最大程度地降低发电成本，此外应避免共振。

2、材料特性要求：

在材料特性方面，结构设计要求转化为以下材料要求：
※ 需要高强度才能承受极端载荷；
※ 需要高疲劳强度以抵抗变化的载荷并减少维修期间的材料降解；
※ 需要很高的材料刚度，以保持叶片的空气动力学形状，防止与塔架碰撞，并防止在压缩载荷下局部不稳定（屈曲）；
※ 需要低密度以减小重力并最小化动力成本。

3、复合材料必要性：

按照结构梁质量与刚度之间函数关系式，对于既定刚度的结构梁，如果实现结构质量最轻，则需要E^(1/2)/ρ数值越大。


由于材料特性不同，因此E^(1/2)/ρ数值也存在一定差异（图6），总体而言复合材料体密度明显低于金属材料，而模量却可与金属相当，因此按照图5函数关系，E^(1/2)/ρ数值大则易于轻量化。

风电叶片用碳纤维材料的发展

碳纤维材料与玻璃纤维、芳纶纤维、以及其他金属特性对比如表1所示，结合图5函数关系，碳纤维高比强度是其在风电叶片领域获得应用的关键，尤其对于高模量碳纤维，其比刚度最高。

表1 不同材质力学性能特性


随着风电叶片长度增加，要求风电叶片用碳纤维复合材料具有优异的刚度，来保持叶片的空气动力学形状，并防止与塔架碰撞，因此高模量碳纤维势必成为大型风电叶片用材料发展趋势。

日本东丽公司经研究指出，对于大型风电叶片随着叶片长度增加必须采用高模量碳纤维（图7），其原因在于当叶片长度为50m时，采用玻璃纤维材质弯曲系数为4.6，而碳纤维仅为1.4，也就意味着玻璃纤维材质叶片刚度难以满足要求，易于发生弯曲，长时间运行后会与塔架发生碰撞。


虽然高模量碳纤维符合为了大型风电叶片的性能要求，尤其是近期国内外开发的第三代的兼具高强度高模量特性的新型碳纤维可同时解决材料强度、刚度等问题，但如何降低实际使用过程中的成本仍待深入探索。

碳纤维轻质高强特性对于汽车工业而言具有极大吸引力，CFRP大规模应用不但可以有效降低汽车车身重量，降低能耗，而且在CO2减排具有积极意义，虽然碳纤维具有较高价格，但是国外大型车企仍欲欲跃试。