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国外风力机叶片材料的新进展
作者:Admin | 发布时间:2010-05-04 10:57:20 | 点击次数:6025 | 来源:太阳集团
 
1、概论
        风力发电是新能源中开发较早、应用广、技术最成熟的可再生清洁能源。据说,首个发 电风场建立于 1891 年丹麦的 Askov,目的是为了使当时的农场主受益[1]。随着风力发电技术 的成熟、制造成本的不断下降,发电成本也逐年下降,加上各国政府的政策扶植,自上世纪70 年代世界石油危机以来,风能资源的开发利用逐步得到发展。尤其到 90 年代,随着科学 技术的进步,风力发电从可再生清洁能源中脱颖而出,成为最具工业开发价值的一种新能源, 世界风电正以迅猛的速度发展。1994-2000 年,全世界风电装机容量年平均增长率为 31%。2001 年全球风电增长 38%,总装机容量达24,500MW。至 2005 年底,全世界的总装机容量 达到了 59,084 MW,BTM 预测到 2010 年的这几年内年安装量平均增长 16.4%,增长中心在美国、印度和中国,而欧洲需求仍然旺盛。欧洲风能协会的风能目标是到 2020年,全 世界的装机容量为 150,000MW。现在风能发电成本已下降到 1980 年的 l/5,加上低发电成 本和环保要求的提高,风能发电在商业上将完全具有竞争力。
        风力机机型有两大类:即垂直轴式与水平轴式,如图 1 所示,垂直轴式主要有 Savonius Rotor、Darrieus Rotor 以及 H Rotor 等形式,而水平轴式则可分为上风型与下风型,叶片个 数可以为 1、2 和 3,目前比较常用的是 3 叶片风力机。但 2 叶片风力机有时也是一些公司的大力倡导的,如美国风力机公司(WTC)公司认为他们的下风向2-叶片风力机能比其它 同类上风向 3叶片风力机减少材料使用量 40%~50%,并适合风速小的地区,风速 11.5m/s 就能达到额定功率,较低的风力机价格以及高产出和低运作成本可使他们的风力机的发电成本比当今绝大多数的风力机叶片低 30%以上。
        叶片是风能技术进步的关键核心风 力机部件,其良好的设计、可靠的质量 和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。在叶片发展的100多年里, 叶片材料经历了木制叶片及布蒙皮叶 片、钢梁玻璃纤维蒙皮叶片、铝合金叶片,而现在复合材料叶片正在流行, 但随着科学技术的进步,又有很多崭新 的材料登上了发展舞台。
2、国外风力机叶片用材料的发展情况和趋势
        随着风能市场竞争日益激烈,风电成本越来越受到大家的关注,风力机叶片的生产商们 尽其所能地向风场开发公司提供最为经济的叶片方案。叶片长度越长,能够捕捉到的风就越 多,同时,叶片长度增加,所安装的位置就更高,风速更大,风能更强,从而风场经营者和 能源公司越来越看好大型叶片。因此Enercon公司的6MW机组应运而生,GE公司的7MW机 组研发紧锣密鼓[10],而英国正在研制10MW的巨型风力机。
         风力发电叶片占风力发电整个装置成本的 20%左右(REpower机组占 23%),制造叶 片的材料、工艺对其成本存在决定性。因此,材料的选择,制备工艺优化对风力发电叶片十分重要。风力发电转子叶片用的材料根据叶片长度不同而选用不同的复合材料,目前最普遍采用的是玻纤增强聚酯树脂、玻纤增强环氧树脂。随着发电机功率的增大,要求叶片长度 不断增加,如果采用传统的玻纤复合材料,那么重量将会增加得更快,由重量过大带来的一系列影响让人不敢尝试,长度可行的关键就是使用先进的材料来减轻重量。此处的先进材料意味着轻质、高强以及刚性好。
        2.1   E 玻璃纤维
       它是目前风力机叶片的主流增强材料,它和许多树脂、成型工艺的匹配性较好。为了更 好的利用它,目前开发了很多种编织形式,如单轴向、双轴向、三轴向、四轴向甚至三维立 体结构等。以满足不同的需要,使灵活的结构设计得到更好的体现。但是,由于 E 玻璃纤维 的密度比较大,因此,在大型叶片上就会应用更合适的材料来替代。
       2.2   S 玻璃纤维
       S 玻璃纤维也是玻璃材质,但其模量却能达到 85.5GPa,比 E 玻璃纤维高 18%,且强度 高出 33%。从技术角度来讲,人们对于应用高强度高断裂应变的 S 玻璃纤维在风力机叶 片上比较感兴趣,但因用量相对较少使它的价格一直很高,GEC  研究里显示它的价格为$15.40/kg,比 E 玻纤的$4.18/kg 高出许多,因此没能成为叶片的主流增强材料。但是,风力机叶片有它很大的发展空间,就看它在市场的驱动下能否将价格降至 E 玻璃纤维的水平[15]。可喜的是,一些生产商看到了 S 玻璃纤维在风能市场的潜力。美国 AGY 公司已有决定加强S-2玻璃的生产规划,2005 产量就会提高 25%。而风能利用的倡导是该公司制定该规划的一个重要决定因素。AGY 的主席和首席行政执行官 Douglas J. Mattscheck说:希望目前这种 对更高性能增强材料的强烈需求仍然持续下去,我们计划将对我们厂和产品实施大力投资,以确保能够满足这种不断增长的需求[16]。虽然就目前的价格来看,S 玻璃纤维的价格确实比 较贵,但由于 S 玻璃纤维的生产工艺和 E 玻纤类似,如果它的价格能降到 E 玻纤水平的话, 是很具吸引力的,因为它在提供高强度的同时,成型工艺的改变或冒险是很小很小的。
       2.3碳纤维或碳/玻混杂纤维叶片长度的不断增加,使得轻质、高强的碳纤维在风力发电上的应用不断扩大,诞生出 碳纤维复合材料叶片。碳纤维应用于大型风力发电机叶片是显而易见的事情。大丝束碳纤 维价格的下降使得碳纤维成为风力机的备选结构材料[12],同样是 34 米长的叶片,采用玻璃 纤维增强聚酯树脂质量为 5800 公斤,采用玻璃纤维增强环氧树脂时质量为 5200 公斤,采用碳纤维增强环氧树脂时质量为 3800 公斤。因此,叶片材料发展的趋势是采用碳纤维增强环氧树脂复合材料,特别是随功率的增大、叶片长度的增加,更要求采用碳纤维增强环氧树脂复合材料。当然碳纤维增强环氧树脂复合材料在风力发电上的大量采用,也面临价格的压力。 碳纤维复合材料取决于碳纤维的价格,碳纤复合材料的性能虽然大大优于玻纤复合材料,但 价格也是最贵的。国外正在从原材料、工艺技术、质量控制等各方面深入研究降低成本,目 前已有相当进展,如卓尔泰克公司为了满足风能市场对碳纤维的需求,进行大规模的扩能计 划,他们生产 PANEX33(48K)大丝束碳纤增强环氧树脂复合材料,具有很好的长期抗 疲劳性能,可使叶片质量减轻 40%、叶片成本降低 14%,并使整个风力发电装置成本降低 4.5%。碳纤维在叶片上的应用一般以碳/玻混杂的形式出现。为了更好的在风力机叶片上 利用碳/玻混杂纤维,3TEX 还特别开发出一种三维混杂结构(如图 2 所示)。这种结构纤维
是完全成直线状无卷曲的,意味着高强度和高刚度被保留了;Z 向纤维改善了复合材料的断 裂韧性和破坏容差。从制造成本来考虑的话,由于该结构可以让树脂灌注速度更快,从而缩 短了工作时间;该形状更厚,减少了铺层次数,节约了劳动力,因此制造成本更低。3TEX公司此类结构物制作了两个主梁帽,成型出一个长为 9米的叶片。结果显示,该叶片比全玻 璃纤维叶片质量轻约 10%。除此之外,还有 CEI开发了一种三维 3-D 编织预成型体,GEC 认为或许可以用它来制 造 1.5MW 级风力机叶片的主梁帽。
       2.4   碳纤维/轻木/E 玻璃纤维混杂
       “Zebrawood”是一个通俗名称,指的是在环氧包裹 Douglas 松木层之间包含碳纤维的 结构,黑线就意味着“斑马(Zebra)”。此概念让环氧有了两层含义,即粘接松木薄板又 湿润碳纤维,因此重量和成本并没增加多少。松木和碳纤维有相似的工作应变,因此当需要 轻木/环氧叶片的时候,这种材料被看作是获得高强高刚以及成本有效的手段。而且,人们 还认为松木不仅是提供破坏容差,而且还可以起到防护外来冲击的作用,而这一点恰恰是所 有碳纤维结构受关注的原因之一。
       2.5   可回收利用的热塑性叶片的开发
       Gaoth Tec Teo与三菱重工以及Cyclics公司签署了一份合作协议,共同为全世界范围内大 规模风场开发热塑性复合材料风力机叶片,它们使用了Cyclics的CBT®树脂以及一种增强添 加剂。此树脂可以改善成型效率,以及通过没有有害的环氧树脂组分来提高车间的安全性。使用像水一样粘度的Cyclics工程热塑性材料—— CBT树脂体系制作了世界上首个12.6米可 循环风力机叶片,这样在叶片退役后,平均每套风力机上可以回收19吨风力机叶片材料,这 在风电工业是史无前例的。此项开发更有利于环境,使风能可靠更为实在。Cyclics欧洲股份 有限公司的常务董事Roman Eder说:更快捷安全的成型、叶片性能的提高、可回收利用的叶片及成型废料都是目前叶片的显著进步。但是,GEC认为,虽然热塑性树脂比环氧树脂还要轻,但是,它易于发生蠕变,而且用胶粘剂来胶接热塑性树脂基复合材料壳体比较困难, 因此,不适于用在大型风力发电机叶片上。
       3   结束语
       叶片作为风力发电装置最关键、最核心的部分,由于其设计和采用的材料决定了风力发电装置的性能和功率,也决定风力发电机组的成本,因此在尽可能提高叶片综合性能、尽量 降低发电成本方面人们还有更多的期待。
 
(谢晓芳 卞子罕)
 
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