風電機組大型化帶來復合材料葉片的機遇與挑戰(zhàn)

風電機組大型化帶來

復合材料葉片的機遇與挑戰(zhàn)中國復合材料集團有限公司張曉明

2014年8月20日2目錄

一、風電發(fā)展現狀與展望

二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

3目錄一、風電發(fā)展現狀與展望

1.前言

2.2013年全球風電發(fā)展狀況

3.2013年中國風電發(fā)展狀況

4.中國可再生能源及風電發(fā)展展望

能源是經濟和社會發(fā)展的重要基礎，也是溫室氣體排放的主要來源。工業(yè)革命以來，世界能源消費急劇增長，人類的物質生活極大改善。煤炭、石油等化石能源（不可再生）資源消耗迅速，人類社會的可持續(xù)發(fā)展受到威脅?？稍偕茉礊槿祟惿鐣某掷m(xù)發(fā)展提供了保障。溫室氣體排放導致日益嚴峻的全球氣候變化--災難性的氣候變化。4一、風電發(fā)展現狀與展望

1、前言：能源給我們帶來的利與弊通過抑制溫室氣體排放的增長，把大氣中溫室氣體長期濃度控制在450ppm二氧化碳當量，在全球范圍內得到了廣泛的支持。這為能源轉型帶來一個很小，但卻是前所未有的發(fā)展機遇---各國政府在低碳技上投資加大。風力發(fā)電已成為目前世界上公認的最接近商業(yè)化，最具有市場競爭力的可再生能源。5一、風電發(fā)展現狀與展望

1、前言：能源轉型給風力發(fā)電帶來的發(fā)展機遇

根據全球風能理事會（GWEC）的統計:

2013年，全球：

新增裝機3546.7萬千瓦（35467MW），

比2012年增長量減少約1000萬千瓦；累計裝機31813.7萬千瓦（318137MW），

同比增長12.4%，增幅較去年下降6.46%；

風電所發(fā)電量占全球電力供應的2.87%。丹麥為33.2%；

美國為4%。6一、風電發(fā)展現狀與展望

2、2013年的全球風電發(fā)展狀況

7一、風電發(fā)展現狀與展望

國家MW份額（%）中國1610045.4德國32389.1英國18835.3印度17294.9加拿大15994.5美國10843.1巴西9482.7波蘭8942.5瑞典7242.0羅馬尼亞6952.0其他國家和地區(qū)657318.5前10位國家新增裝機總量

288983.26全球總計35467100.0

8一、風電發(fā)展現狀與展望

國家MW份額（%）中國9142428.8美國6109119.2德國3425010.8西班牙229597.2印度201506.3英國105313.3意大利85522.7法國82542.6加拿大78032.5丹麥47721.5其他國家和地區(qū)4835215.2前10位國家累計裝機總量

26978584.8全球總計318137100.02013年，全球風電市場的特點：中國繼續(xù)領跑全球風電市場，新增裝機1610萬千瓦，

占45.4%市場份額；加拿大增長強勁，新增裝機激增至160萬千瓦，

比2012年增加了71.1%；

美國政策波動對全球市場打擊沉重，新增裝機1084MW，比2012年13124MW銳減12000MW。9一、風電發(fā)展現狀與展望

2、2013年的全球風電發(fā)展狀況

2013年，全球海上風電獲得有史以來最快的發(fā)展。

根據“BTM風電報告2013”的相關統計:海上風電新增裝機1721MW，占新增裝機容量的4.8%；海上風電累計裝機6837MW，占累計裝機總量的2.1%。2013年，歐洲依然是海上風電發(fā)展最快，新增裝機最多的區(qū)域。2013年，歐洲共有21個海上風電項目竣工，并網容量1567MW。10一、風電發(fā)展現狀與展望

2、2013年全球風電發(fā)展狀況

根據中國風能協會的計數據:

中國新增裝機9356臺，新增裝機容量16088.7MW，同比增長24.10%，占全球新增風電裝機的45.39%；中國累計裝機63120臺，累計裝機容量91412.89MW；同比增長21.4

%，占全球風電裝機總量的28.47%

中國風電新增裝機和累計裝機均居全球第一。11一、風電發(fā)展現狀與展望

3.2013年中國風電發(fā)展狀況

2013年，中國海上風電獲進展緩慢。

根據中國風能協會的統計:海上風電新增裝機39MW，占新增裝機量的0.24%；海上風電累計裝機355.9MW，占累計裝機量3.89%。2013年，中國海上風電39MW的裝機均在潮間帶地區(qū)，比2012年

下降了69%，這主要是與中國海上風電發(fā)展的各個方面

準備不充分有關。12一、風電發(fā)展現狀與展望

3.2013年中國風電發(fā)展狀況

●《“十二五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》：到2015年，

并網風電裝機容量：10000萬千瓦（100GW）

風電年發(fā)電量：1900億千瓦時

●2013年實際情況：

風電累計裝機容量91.42GW，

風電累計并網容量75.48GW；

風電年發(fā)電量1401億千瓦時，占總發(fā)電量的2.62%。

●

《可再生能源法》非水電可再生能源強制性市場份額：

非水可再生能源發(fā)電量占電網總發(fā)電量的3％以上。

13一、風電發(fā)展現狀與展望

4、中國可再生能源及風電發(fā)展展望中國已在風能資源主要集中地區(qū)：內蒙古的蒙東和蒙西、新疆哈密、甘肅酒泉、河北壩上、吉林西部和江蘇近海，建設7個千萬千瓦級風電基地。這些地區(qū)的陸上50m高度以上風能資源的潛在開發(fā)量約18.5億kW（71.7%）。目前，我國環(huán)境問題已經引起國家和政府的高度重視，減少有害氣體排放，減少空氣中細顆粒物含量已經成為政府和公民的共識，這些均為風電發(fā)展提供了良好的支撐條件。14一、風力發(fā)電現狀與展望

4、中國可再生能源及風電發(fā)展展望15目錄

二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

1、大型風電機組帶來了葉片的大型化

2、大型風電葉片新技術的應用

3、風電葉片發(fā)展的新動向

1.大型風電機組帶來了葉片的大型化

典型的大功率風電機組及葉片–已安裝2004年底，Repower在德國安裝了第一臺5.0MW試驗機組（5M）拉開了大型風電機組發(fā)展的序幕。5M型機組采用了LM公司配套開發(fā)的P2葉片，葉片長度61.5m，葉輪直徑126m。2012年

月，首臺6MW機組安裝在比利時海上風電場。2005年，阿海法公司（德國Multibrid）安裝了第一臺5MW風電機組M5000。風機葉輪直徑116m，采用碳纖維結構的葉片，單只葉片重量為16.5噸。2011年，洲風能協會海上風電大會上，該公司介紹了葉輪直徑135m的同類型M5000機組。2007年，Enercon公司在德國安裝了目前世界上最大的風電機組E-126，單機容量6MW，葉輪直徑127m?，F已升級為7MW。

16

二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

1.大型風電機組帶來了葉片的大型化典型的大功率風電機組及葉片–開發(fā)的新風機2011年，阿爾斯通公司推出了6MW海上風力發(fā)電機組，葉輪直徑150m，葉片采用LM公司為其開發(fā)的73.5P葉片，葉片長度73.5m。2011年，西門子相繼推出了兩款海上風電機型:

SWT-6.0–120，葉輪直徑120m，

SWT-6.0-154，葉輪直徑154m，葉片（B75）長75m。

2012年，Vestas推出的V164-7.0MW機組，葉片長度達到了80m。2014年1月，Vestas宣布第一臺8MW海上風電機組V164-8MW發(fā)電，V164-8MW風電機組是目前全球最大的機組。其塔筒高度140m，葉尖最高220m，掃風面積超過2.1萬m2。

17

二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

1.大型風電機組帶來了葉片的大型化

典型的大功率風電機組及葉片–國內情況2011年，華銳風電的5.0MW風電機組SL5000和6.0MW風電機組SL6000分別安裝，葉輪直徑128m，葉片長度62m，由中復連眾配套開發(fā)。2012年7月，中船重工的5MW風電機組下線，葉輪直徑154m，配套的葉片長度

75m。

18

二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

2.大型風電葉片新技術的應用–新型葉片結構復合材料葉片大型化帶來的難題：制造難度增加：隨著葉片長度的增加，模具重量增加，為了保證葉片的制造精度，模具剛度也需要提高；運輸難度增加：當葉片達到一定長度時，葉片的運輸變得更加困難，現有公路的轉彎半徑、橋梁和涵洞的尺寸受到限制。新的葉片結構：分段式葉片：E-126風電機組G128-4.5MW風電機組

19

二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

2.大型風電葉片新技術的應用–新型葉片結構分段式葉片：E-126風電機組：Enercon公司的風電機組E–126風電機組

，單機容量7.58MW，葉輪直徑127m。葉片采用兩段式葉片設計：靠近葉根部分一段的葉片由金屬制成，長22m，葉片前端由玻璃纖維環(huán)氧復合材料制成，長度約35m。

20

二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

分段式葉片：E-126風電機組：21

二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

分段式葉片：E-126風電機組：22

二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

分段式葉片：G-128風電機組：

2009年，歌美颯在西班牙安裝了第一臺G128-4.5MW風電機組，葉輪直徑為128m，額定功率4.5MW。葉片采用兩段式設計，兩段均為復合材料，葉片總長為62.5m，其中，葉根段長度30.5m，葉尖段長度32m，接合處通過螺栓連接件連接。

23

二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

歌美颯分段式葉片專利：CN1957178A

24

二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

2.大型風電葉片新技術的應用–新型葉片結構國內分段式葉片葉片的研制情況（截至到2010年）：華銳風電：2010年申報了發(fā)明專利；中船重工海裝：2010年獲實用新型專利；許繼：2010年獲實用新型專利；

25

二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

2.大型風電葉片新技術的應用–新材料的應用目前，新開發(fā)大型風電機組的葉片通常超過70米，如：

LM公司為阿爾斯通6MW風電機組研制的73.5P葉片，長度為73.5m；西門子的SWT-6.0-154風電機組，葉片B75的長度為75米；維斯塔斯的V164-7.0MW風電機組，葉片長度達到了80m。為了使得這類大型復合材料葉片的各項技術指標滿足設計要求，除了優(yōu)良的氣動設計外，葉片材料的應用技術需要不斷的創(chuàng)新，如，增強材料和基體材料的創(chuàng)新。

26

二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

2.大型風電葉片新技術的應用–新材料的應用

◆碳纖維的應用技術

大型復合材料葉片結構的輕量化為碳纖維應用帶來了機遇，碳纖維開始陸續(xù)在大型葉片的主承力部位應用，如承載主梁、后緣增強、根部等。目前，常用的碳纖維類型：小絲束碳纖維：日本東麗：T620、T700S大絲束碳纖維：美國卓爾泰克：P35T620是東麗專門為風電葉片開發(fā)。

27

二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

◆碳纖維的應用技術風電葉片常用的增強材料性能

28

二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

玻璃纖維碳纖維性能AdvantexH-glassT620ST700SP35拉伸強度MPa22063060440049003800拉伸模量GPa7486235230242斷裂伸長率%＞3%＞3%------2.11.5密度g/cm3

2.622.521.771.8------熱膨脹系數×10-6/℃64.1-------－0.38------

2.大型風電葉片新技術的應用–新材料的應用

◆碳纖維的應用技術問題：高剛度可以提升葉片的整體剛度，這是毋庸置疑的；但是，作為混雜結構的大型葉片，需要注意以下情況：環(huán)境引起的熱應力（單向）/殘余應力（層合）；碳纖維良好的導電性帶來的防雷系統的復雜性；制造工藝的特殊性（纖維直徑小/空隙小、流動困難）等。

29

二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

2.大型風電葉片新技術的應用–新工藝技術

–熱應力/殘余應力的影響復合材料葉片的固化過程實際上就是線形的熱固性樹脂（環(huán)氧、不飽和聚酯、乙烯基酯等）交聯為不溶不熔的體型結構過程。當有溫差存在時，就會產生熱應力。單向復合材料的熱應力主要的參數（碳纖維更突出）：｛σL｝=［Q］（｛εL｝-｛αL｝·

ΔT）

σL

---單層板主方向上的熱應力

Q

---剛度系數，與模量E、泊松比ν有關（CF的Q大）

εL

---熱應變

αL

---熱膨脹系數（CF的αL小，T700Sα-0.38?10-6/°C）

ΔT

---溫度差（如最高成型與最低使用溫度80

~

-30/°C）

30

二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

2.大型風電葉片新技術的應用–新工藝技術

–熱膨脹系數的影響

可以通過以下公式預測單向復合材料的熱膨脹系數：

αf

Ef

Vf

+

αm

Em

Vm

αL

=

---------------------------------------

Ef

Vf

+

Em

Vm在樹脂基復合材料中，樹脂基體的熱膨脹系數比增強材料要高于一個數量級以上，更容易發(fā)生熱變性，因此，復合材料的橫向熱變性高于縱向變形。這種特性在應用碳纖維時應特別注意。復合材料葉片是一個層合結構，當葉片從固化溫度降至環(huán)境溫度時，層合結構就會產生殘余應力。這種殘余應力將影響葉片的強度。31

二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

2.大型風電葉片新技術的應用–新材料的應用

適合樹脂真空導入成型的樹脂體系目前，風電葉片常用的樹脂系統主要由：環(huán)氧樹脂體系不飽和聚酯樹脂體系我國商業(yè)化的風電葉片主要以適合真空導入的低粘度環(huán)氧體系作為基體材料。但是，隨著葉片尺寸和厚度的增加，對環(huán)氧樹脂體系也提出新的要求：樹脂體系固化過程的放熱量應該更低；樹脂體系在工藝過程中應保持良好的流動性，尤其碳纖維葉片。

32

二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

2.大型風電葉片新技術的應用–新材料的應用

◆適合大型葉片的樹脂體系–放熱低比如，葉片成型時的溫度記錄表明，葉片固化時：承載主梁表面溫度為70

~

75℃；葉片根部的表面溫度可達75~85℃；葉片內部的溫度會更高（甚至超過100℃）。為此，專業(yè)的樹脂制造商為大型葉片開發(fā)出了低放熱的環(huán)氧樹脂體系。33

三、大型復合材料葉片的材料應用技術

◆低放熱的樹脂體系34

三、大型復合材料葉片的材料應用技術

◆

適合樹脂真空導入成型的樹脂體系–流動性好

大型復合材料葉片不僅要求樹脂體系在交聯反應過程中應具有較低的放熱，還需要具備良好的流動性，尤其是樹脂體系在成型過程中，其粘度隨時間變化緩慢，以適應大型葉片長時間灌注的工藝需求。這一點在進行碳纖維葉片制作時尤為突出。一般地，葉片用玻璃纖維的直徑多為17

~

21

μm，纖維之間存在的孔隙較大，有利于樹脂的流動；而葉片所用碳纖維直徑僅為7

μm，纖維之間的孔隙較小，樹脂的流動阻力比較大，流動困難。新型的環(huán)氧樹脂可以很好地改善其流動性能，并針對碳纖維葉片開發(fā)出專用樹脂體系。35

二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

◆

適合樹脂真空導入成型的樹脂體系–流動性好復合材料葉片在真空導入工藝的理論基礎就是液體通過多孔介質流動的達西定律：

36

三、大型復合材料葉片的材料應用技術

◆

適合樹脂真空導入成型的樹脂體系–流動性好37

二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

◆

適合表面保護材料隨著風電葉片的旋轉直徑的增加，葉片尖部的線速度成倍增加：

1.5MW-77m，18rpm，V

=

260

km/h（動車）5.0MW-126m，12rpm，V

=

284

km/h

7.0MW-164m，10.5rpm，V

=

325

km/h（高鐵）此時，應該考慮葉片：現用的表面涂層的材料系統是否合適？現用的涂層厚度是否能滿足要求？

38

二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

2.大型風電葉片新技術的應用–新材料的應用

適合表面保護材料適合海上風電的葉片表面保護材料及評價標準

隨著風電葉片的旋轉直徑的增加，葉片尖部的線速度成倍增加，應該考慮葉片：現用的表面涂層的材料系統是否合適？現用的涂層厚度是否能滿足要求？

39

二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

2.大型風電葉片新技術的應用–新工藝技術

復合材料風電葉片制造技術現狀成型工藝：預浸料鋪放/真空袋壓成型（Vestas、Gamesa）

樹脂真空導入/真空袋壓成型（大多數葉片制造商）

成型方式：分步制作/膠粘成型（大多數葉片制造商）整體成型（西門子）

40

二、風電葉片大型化面臨的挑戰(zhàn)

2.大型風電葉片新技術的應用–新