碳纤维及复合材料在风电叶片中的应用进展

2012年，我国新增装机容量为13200MW； 截至2012年底，我国累计装机容量达到了75564MW。
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全球风电产业发展现状 海上风电
2012年全球累计海上风电装机容量 5410 MW （同比增长31.4%） 全球新增海上风电装机容量 1292 MW 中国海上风电完成吊装容量 395 MW
+14%
玻纤和碳纤在风电叶片上使用的比较 （ 74m 叶片 ）
叶片 长度(m) 风轮直径(m) 额定功率(MW)
外壳材料
主梁材料
主梁设计
WEI74-7000G 74 153 7
WEI74-7000C 74 153 7
环氧树脂浸渍 环氧树脂浸渍 无碱玻璃纤维 无碱玻璃纤维
浸渍玻璃纤维 碳纤维预浸料
盒式梁（2腹板） 工字梁（1腹板）
0 7,201 7,904
750 235 286 16,376
-27%
-$ 33,077 $ 28,556 $ 11,250 $ 2,820 $ 3,861 $ 79,564 $
1,298 0
7,716 926 235 286
10,461
减重27% 成本增加14%
30,503 16,896 14,587 13,890 2,820 3,861 82中,5国57复合材料集团有限公司
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碳纤维在风电叶片中的应用优势
假设风应力发生的频率是20年
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碳纤维在风电叶片中的应用优势
等效破坏疲劳负载
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碳纤维在风电叶片中的应用优势
叶片用碳纤维与玻璃纤维相比
叶片用碳纤维复合材料与玻璃纤维 复合材料相比：
更高的强度 （1.5）
碳纤维及复合材料在风电叶片 领域的应用进展
陈虹
中国复合材料集团有限公司 2013年07月25日
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碳纤维在风电领域的应用进展
全球风电产业发展现状 碳纤维在叶片中的应用优势
碳纤维在叶片中应用的技术发展 中国复材——风电叶片
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全球风电产业发展现状
(GW)
2012全球累计装机风电容量 282GW，占全球发电总装机5%； 我国累计风电装机容量75GW， 占全球26.8%，居第一 预计2013年 全球 320GW 中国 93GW
性能
玻璃纤维
Advantex Hglass
东丽 T620S
碳纤维
东丽 ZOLTEK T700S P35 50K
三菱丽阳 P330 60k
拉伸强度 Gpa
2.206 3.060 4.4
4.9
4.15
4.9
拉伸模量 GPa
74
86 235 230
242
250
断裂伸长率 %
＞ 3% ＞ 3% 1.87 2.13
—低负荷—更轻的变桨轴承、偏航系统、风机轮毂、塔筒 —更易操作，运输及吊装 —减少组件大小、重量、成本
扰度更小，机翼部分更薄: — 机翼气动效率更高，提高风能利用率和年发电量 — 动力问题少 — 预弯少，垂悬部分小
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碳纤维在风电叶片中的应用优势
成本：综合风力发电成本降低 运输、吊装成本相对降低 对机组相关部件的强度和刚度要求降低，使用寿命延长 风力发电机组的整体性能和效率提高 定期检修、维护成本降低
新增装机15GW以上; 2020年，我国风电并网目标要达到200GW; 全球风能理事会预测2020年中国风电装机容量达到
250GW。
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中国风电产业发展现状
海上风电目标和建设重点 风力发电厂正从内陆及大陆沿海地区逐步转向海上； 2020年前，中国将在江苏南通、盐城、上海、山东鲁北 浙江杭州等海湾建设几个百万千瓦级海上风电基地； 到2015年底，我国海上风电累计装机有望达 5GW，
在20年寿命期间，其疲劳
Fra Baidu bibliotek损伤很小。
疲劳循环次数— N
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碳纤维在风电叶片中的应用优势
静态玻璃纤维
叶
静态碳纤维
根
疲劳玻璃纤维
弯
疲劳碳纤维
矩
叶片长度（m）
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风电叶片常用的碳纤维增强材料
目前，叶片常用的碳纤维：日本东丽：T620 /T700S
美国卓尔泰克：P35
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玻纤和碳纤在风电叶片上使用的比较
（ 57m 叶片 ）
叶片
长度(m) 风轮直径(m) 额定功率(MW)
外壳材料
WEI57-3000G
57 116 3.0
环氧树脂浸渍无 碱玻璃纤维
WEI57-3000G2 低扰度 57 116 3.0
环氧树脂浸渍无 碱玻璃纤维
WEI57-3000C
芯材
15/kg $
粘合剂
12/kg $
根部紧固件
13.5/ $
总计
$
0 14,281 23,413 2,125
920 620 41,360
-24%
-$ 82,517 $ 80,490 $ 23,800 $ 11,590 $ 10,415 $ 208,812 $
3,598 0
23,831 2,344 1,040
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10MW和12MW海上风力机组的已启动研发 风轮直径约200m
中国风电产业发展现状
主机商： 金风（3MW、6MW）、华锐（3MW、5MW、6MW） 联合动力（3MW、6MW）、明阳（3MW、6MW） 东汽（3MW、5.5MW）、湘电（5MW）、 上海电气（3.6MW、6MW）
轮毂
叶片
塔架
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碳纤维在风电叶片中的应用优势
风 轮 直 径
（米）
50KW 100KW
风力发电机成长与发展之路
海上风机
5MW 3.6MW
陆上风机 2.5MW
10MW
1.5MW
750KW 500KW
300KW
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碳纤维在风电叶片中的应用优势
大型化是风机及叶片发展的必然趋势
重 量 （ ）
kg
注： 碳纤维预浸料减少叶片整体重量25-35% 从而降低了轮毂的重量
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kg
碳纤维在风电叶片中的应用优势
轮毂重量/叶片重量
轮 毂 质 量
叶片质量，kg 来源于美国国家能源部可再生能源实验室(NREL) WindPACT 报告 轮毂质量（kg）= 0.954 x （叶片质量）+ 5680 轮毂成本 = 轮毂质量 x $4.25/kg
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玻纤和碳纤在风电叶片上使用的比较
根据东丽风能研究所资料(1.5MW)
大梁: GFRP
只在大梁处用碳纤维复合材料 替换玻璃纤维复合材料
大梁: CFRP
➢ 当主梁使用碳纤维增强复合材料时，与玻璃钢叶片比较，叶片重量 减轻12%，且具有更高刚性，更高耐疲劳性。
➢ 更低运输安装成本以及维修成本，延长风机使用寿命带来的成本的 降低等优势。
在不提高轴承、根部紧固件、风机轮毂负荷的情况下可以 增加叶片的长度，在同一平台上能捕捉更多能量
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碳纤维在风电叶片中的应用优势
疲劳性能
循 环
碳纤维预浸料 浸渍无碱玻璃纤维材料
在设计时，由于主要考 虑到疲劳和扰度，因此设
应 变 幅
计者们通常无法充分利用 玻璃纤维的静应变范围。
度
碳结构静态时很稳定，
57 116 3.0
环氧树脂浸渍 无碱玻璃纤维
仅针对材料成本
主梁材料
浸渍玻璃纤维 浸渍玻璃纤维 碳纤维预浸料
主梁设计
盒式梁(2腹板)
盒式梁（2腹板） 工字梁（1腹板）
材料质量(Kg)
主梁碳纤维预浸料
主梁干玻纤+浸渍树脂
所有其他玻纤+树脂
巴尔沙木
PVC泡沫
粘合剂
总计
叶片成本
主要材料成本($)
碳纤维预浸料
1.71
1.96
密度
g/cm3
2.62
2.52 1.77 1.8
1.81
1.81
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风电叶片常用的碳纤维增强材料
卓尔泰克Panex 35 50k • —直径：7.2 微米
—强度：4150Mpa —模量： 242Gpa —密度 ：1.81 g/cc
• 用做 “UD prepreg”— 单向预浸带 — 500-600 g/m2 编织布 — 725-875 g/m2 预浸后 — 预浸后供应价为 $24/kg
WEI74-7000C2
74
153
7
环氧树脂浸渍 碳纤维/玻璃纤
维 碳纤维预浸料
工字梁(1腹板)
仅针对材料成本
材料质量(Kg) 主梁碳纤维预浸料
主梁干玻纤+浸渍树脂 所有其他玻纤+树脂
巴尔沙木
PVC泡沫 粘合剂
总计
叶片成本
主要材料成本($)
碳纤维预浸料
23.5/kg $
干玻纤
3/kg $
环氧树脂
7/kg $
• 干碳纤维用做单向带或多轴无纺织物时可以浸润树脂
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风电叶片常用的碳纤维增强材料
通过 GL 认证
T620S是日本东丽专门为风电叶片开发出的碳纤维。 中国复合材料集团有限公司
碳纤维在风电叶片中的应用优势
Maximum Sress S MPa
应力范围 Δσ
CFRP—T620疲劳实验结果
Enercon的6MW, 7MW风电机组已成功运行；GE的7MW 和Vestas的10MW机组正在研制中；中复连众的6MW风电叶 片已成功吊装。
轻质/高强/ 刚性好
叶片长度的增加， 单纯的玻纤材料很难满足 叶片的设计要求。
风机旋转半径与叶片质量的关系 -几乎呈立方关系
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碳纤维在风电叶片中的应用优势
叶片生产商：曾多达经近百家，经过近几年的激烈竞争，目 前能够批量供货的制造商不足10 家。 • 中国复材、中材科技、中航惠腾、LM; • 东汽、国电、明阳、上海玻钢院、VESTAS、GAMESA
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中国风电产业发展现状
风电发展目标 根据《可再生能源发展“十二五”规划》 到2015年，风电并网容量大约为120GW，需要每年
23.5/kg $
干玻纤
3/kg $
环氧树脂
7/kg $
巴尔沙木
15/kg $
PVC泡沫
12/kg $
粘合剂
13.5/kg $
总计
$
0 4,725 8,213
875 235 286 14,334
-$ 28,332 $ 24,460 $ 13,125 $ 2,820 $ 3,861 $ 72,599 $
/
叶 片 重 量
（千克）
碳碳纤纤维维叶叶片片 玻玻纤纤叶叶片片
叶片叶长片度长/度（/米（）米）
➢提高叶片强度，减轻叶片重量
随着叶片长度的增加，为了减轻叶片重 量，同时又提高刚度，碳纤维就成了解 决这一设计难题的首选纤维材料。
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碳纤维在风电叶片中的应用优势
重量轻：在满足刚度和强度要求的条件下，比玻纤叶片轻 20%以上
600
500
400
300
200
100
0 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07 1.E+08
# of Cycles N
E-glass/epoxy (Vf=53%) Lay-up and % 0°-material: [±45/0°]S, 64%-0° Laminate fabricated by: MSU
1998-2012全球累计装机容量
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全球风电产业发展现状
(GW)
2012全球新增装机容量44.7GW 我国新增装机容量13.2GW，占 全球新增总装机的30%，居第一
1998-2012全球新增装机容量
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全球风电产业发展现状
单位：MW
2012年各国新增装 机容量
更高的模量（3）
更小的比重 （0.6）
更小的静应变 （0.5）
碳纤维 玻璃纤维
更高的强度(2) 更高的模量(3) 更小的比重(0.8) 更高的比强度(2.7) 更高的比模量(4)
碳纤维复合材料 玻璃纤维复合材料
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碳纤维在风电叶片中的应用优势
风电机组组件重量比较
轮毂重量 3叶片重量
2500
UD Fabric T620S 环境：大气中
温度：R.T.
2000
Saertex T620S
材质：CFRP 载荷：控制
Saertex CF”A”
波形：sin波 周波数：5Hz
应力比：R=-1
1500
1000
500
0
1.00E+00 1.00E+01 1.00E+02 1.00E+03 1.00E+04 1.00E+05 1.00E+06 1.00E+07
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碳纤维在风电领域的应用进展
全球风电产业发展现状 碳纤维在叶片中的应用优势
碳纤维在叶片中应用的技术发展 中国复材——风电叶片
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碳纤维在风电叶片中的应用优势
风机主要零部件：
叶片、齿轮箱 发电机
齿轮箱
发电机
良好的设计和优越的性能 是保证机组正常稳定运行
的决定因素
480 31,293
-39%
75,558 $ 51,254 $ 52,920 $ 26,250 $ 13,618 $ 8,064 $ 227,664 $
3,598 0
18,322* 1,377 1,040 480 25,201