高性能复合材料在海上风电设备的应用

与陆上风电相比，海上风电具有风速大、资源丰富、不占耕地等显著优势，将成为全球风电产业的发展方向，海上风电叶片将成为市场需求新增量。根据全球风能协会全球海上风电报告（2021），目前全球海上风电装机容量仅仅达到2050年实现碳中和目标所需海上风电装机容量（2000 GW）的2%。未来10年，海上风电新增装机容量将达到235 GW，约当前市场规模的7倍。至2021年10月底，中国海上风电装机容量已超过英国，成为全球累计装机容量最大的海上风电市场。与陆上风电环境相比，海上风电环境更加复杂和严酷，主要体现在以下2点：

1）海面大气区的高湿度高盐度、飞溅区与潮差区的干湿交替、浸没区的海水浸泡和海生物附着等更强腐蚀环境；

2）台风、海浪以及撞击等。

1 高性能纤维复合材料

高性能纤维主要包括芳香族聚酰胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚苯硫醚纤维、聚酰亚胺纤维、碳纤维、陶瓷纤维、玄武岩纤维、硼纤维、氧化铝纤维、非氧化物陶瓷纤维（SiC、SiBCN、SiCZr和SiCAl）等。基体主要包括环氧树脂、酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂、苯并噁嗪树脂、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、芳炔树脂、聚醚醚酮、聚醚酮酮、钛合金等。增强方式主要包括缠绕工艺、注塑工艺、滚塑工艺、模压成型工艺、树脂传递模塑成型和增材制造（3D打印）等

2 高性能纤维复合材料在海上风电的应用

2.1 风电叶片

风电叶片是风电装备的关键部件之一，其成本约占整个风力发电装备成本的20%。随着近年来风电技术的快速发展，风机单机容量逐渐增大，风电设备环境日益复杂及严峻，对风电叶片的长度、重量、性能和成本要求越来越高，叶片材料逐渐由单组分过渡到多组分、由玻璃纤维过渡到碳纤维及混杂纤维、由热固性复合材料转向热塑性复合材料。我国于2020年量产应用的90 m长的碳纤维叶片，其重量降低10%，附加值比普通叶片高出20%。2022年12月，中国船舶集团洛阳双瑞风电叶片有限公司顺利下线SR260型叶片（见图2），叶片长260 m，叶片扫风面积超过5.3万平米，相当于7.4个标准足球场面积，具备强劲的防雷电、抗腐蚀功能。德国Repower公司专为海洋风电场设计的5 MW风机63 m叶片由碳纤及玻纤混杂而成，单片叶片质量为18 t，年发电量约1.7×107 kW·h。

2.1.1风电叶片的大型化趋势

风电叶片是捕获风能最重要的部件，叶片大型化已成为风电行业的共识，是降低风电成本的重要手段。在同等风速情况下，叶片越长，扫风面积越大，能捕获更多的风能，发电量也相应增大。单个陆上风电机组发电功率由原来的 2～3 MW提高到 4～7 MW，单个海上风电机组的发电功率更是提升到 9～10 MW，甚至更大。随着风电机组功率的提升，叶片长度随之快速增长，进入“百米级时代”。2021 年 2 月，中国船舶集团有限公司10 MW 海上风机正式下线，叶片长度达 102 m，这是我国首个长度超过百米的风机叶片; 同年9月，上海电气风电集团股份有限公司长达102 m的海上风电叶片问市。2022 年，我国连续下线大容量风电机组，不断刷新记录，5月，浙江运达风电股份有限公司8～10 MW海上风机叶片长度达 110 m; 7月，明阳智慧能源集团股份有限公司大兆瓦抗台风型海上风机叶片长达 115. 5 m; 9 月，风电机组再度突破，海神平台EW8. X－230 机组在山东渤中海上风电项目中完成首台安装，叶片长112 m，风轮直径达230 m，是全球已吊装的最大风轮直径风机; 12月，全球最长风电叶片双瑞SR260 成功下线，叶轮直径达 260 m，该叶片将安装在中国船舶集团海装股份有限公司即将下线的全球最大单机功率 18 MW 海上风机机组中。

2.1.2风电叶片的轻量化趋势

通过使用碳纤维等轻质高强材料，海上风电叶片的重量得以减轻。轻量化不仅降低了叶片在运输和安装过程中的成本和复杂性，还减轻了对风电机组其他部件的压力，延长了整个设备的使用寿命。在满足刚度和强度的前提下，碳纤维质量比玻璃纤维材质的叶片少30%以上，所以采用碳纤维材料制备的风电叶片在保证叶片在长度增加的同时，可以明显减重，还能提高风电叶片的耐候性。因此在超大型风电机组叶片制造中，建议使用高性能碳纤维，在确保结构强度的同时避免叶片在风载作用下发生变形。

2.1.3风电叶片的高强化趋势

风电叶片通常需要在冷、热、沙和海水侵蚀的恶劣环境中工作。除了主承重结构的主梁区域外，在非承重或次承重结构中使用碳纤维复合材料的需求尤为迫切。例如，为了提高叶片根部材料的断裂强度和承载强度，降低施加在螺栓的动载荷，德国 Aerodyn Energiesysteme Gmbh公司在叶片根部使用了碳纤维复合材料。丹麦LM公司在叶尖中使用碳纤维复合材料，以降低叶片过度极化而导致的叶尖撞击塔架的风险。LM公司在叶片的前缘和后缘部分使用碳纤维复合材料来调节叶片的固有频率，从而有效防止雷击造成的损坏。美国能源部开发了使用碳纤维复合材料作为蒙皮的风力涡轮机叶片，实践结果表明，它们可以减少作用在内部支撑翼梁上的力和扭矩，并提高叶片表面强度和耐腐蚀性。

2.2 风机导流罩

在风电机组中，导流罩具有保护风机装置及减阻汇流的作用，海上风电对导流罩防腐性能、刚度，高性能纤维复合材料在海上风电的应用强度及轻量化有强烈的需求。随着风机机型的持续增大，海上风电对风机导流罩的尺寸、运输、成本及综合性能要求越来越高。风机CFRP导流罩在满足刚度性能的条件下，与风机钢制导流罩作对比，最大应力降幅为24%，汇流风量增幅为9.1%。

2.3 栓接连接件

海上风电恶劣的腐蚀环境及复杂的载荷环境对风机基础锚杆组件、风电叶片螺栓组件、混塔连接件等栓接连接件提出了更高的性能要求，常规金属栓接连接件因有限的防腐性能而应用受到限制。具有质轻高强、耐腐蚀、抗疲劳、电气绝缘等显著优势的高性能纤维复合材料栓接连接件在海上风电扮演着越来越重要的角色。现有高性能复合材料栓接连接件多为小规格（一般M20以下），通常利用高性能纤维增强热塑性树脂基复合材料及连续纤维增强陶瓷基复合材料等材料体系经过热拉挤成型、对模成型、机械加工、模压成型、缠绕成型、三维编制、注塑成型和拉挤-缠绕成型等方式制备。复合材料栓接连接件的某些力学性能（如抗拉强度等）达到了常规金属栓接连接件的性能要求，并有望突破尺寸及性能瓶颈。熊甲林利用缠绕-模压成型法制备了碳纤维/ SE300氰酸酯树脂M6螺栓（见图3）。朱波等发明了由拉挤成型工艺-二次热压塑化加工的一种热塑性复合材料螺栓（见图4），包括热塑性混杂纤维增强芯（厚度4 mm～6 mm）、表面热塑性混杂纤维缠绕螺纹层（厚度2 mm～3 mm）。杨帆等发明了一种连续碳纤维复合材料螺栓（见图5），以连续碳纤维T700作为增强体，以咪唑环氧树脂作为基体制成预浸料，通过预浸料固化成型连续碳纤维复合材料M5、M6或M8六角头螺栓。该复合材料螺栓和±45°/0°的碳纤维增强板配合时，单个M6螺栓的剪切力最大可达6.33 kN，界面剪切强度、拉伸强度、弯曲强度及断裂延伸率分别为 334.65 MPa 、 2 115.5 MPa 、1 415.5 MPa及1.32%。图3 碳纤维/SE300 氰酸酯树脂 M6 螺栓图4 一种热塑性复合材料螺栓的结构示意图

2.4 其他应用

在风电运维无人机方面，我国已达到世界领先水平，所用材料通常为国产碳纤维及碳纤维与玻璃纤维、芳酰胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玄武岩纤维等纤维组成的混杂复合材料。中国电子科技集团公司第53研究所研制的复合材料连接轴具有高强度、高刚性和高疲劳强度等优点，产品综合指标达到或超过国外同类产品，广泛应用于1.0 MW和1.3 MW等不同风力发电机。国网智能研究院通过高强度玻璃纤维混杂技术，研制了具有一定价格优势的高强度玻璃纤维/碳纤维混杂增强复合材料芯导线，达到国际先进水平。