碳纤维及复合材料在风电叶片中的应用进展

碳纤维在风电叶片中的应用优势
静态玻璃纤维
叶 根 弯 矩
静态碳纤维 疲劳玻璃纤维
疲劳碳纤维
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 玻璃纤维 性能 拉伸强度 拉伸模量 Gpa GPa Advantex 2.206 74 ＞ 3% 2.62 Hglass 3.060 86 ＞ 3% 2.52 东丽 T620S 4.4 235 1.87 1.77 东丽 T700S 4.9 230 2.13 1.8 碳纤维 ZOLTEK P35 50K 4.15 242 1.71 1.81 三菱丽阳 P330 60k 4.9 250 1.96 1.81
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碳纤维在风电叶片中的应用优势
良好的设计和优越的性能
风机主要零部件： 叶片、齿轮箱 发电机
齿轮箱 发电机
是保证机组正常稳定运行 的决定因素
轮毂
叶片
塔架
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碳纤维在风电叶片中的应用优势
风力发电机成长与发展之路
海上风机
10MW
风 轮 直 径
（米）
750KW 500KW 300KW 50KW 100KW 1.5MW
碳纤维预浸料
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)
盒式梁（2腹板） 工字梁（1腹板）
0 14,281 23,413 2,125 920 620 41,360
3,598 0 23,831 2,344 1,040 480 31,293
3,598 0 18,322* 1,377 1,040 480 25,201
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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。
断裂伸长率 % 密度 g/cm3
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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 $24/kg • 干碳纤维用做单向带或多轴无纺织物时可以浸润树脂
+14%
玻纤和碳纤在风电叶片上使用的比较 （ 74m 叶片 ）
叶片 长度(m) 风轮直径(m) 额定功率(MW) WEI74-7000G 74 153 7 WEI74-7000C 74 153 7 WEI74-7000C2 74 153 7
仅针对材料成本
外壳材料
环氧树脂浸渍 无碱玻璃纤维
环氧树脂浸渍 无碱玻璃纤维
材料质量(Kg) 主梁碳纤维预浸料 主梁干玻纤+浸渍树脂 所有其他玻纤+树脂 巴尔沙木 PVC泡沫 粘合剂 总计 叶片成本 主要材料成本($) 23.5/kg 碳纤维预浸料 3/kg 干玻纤 7/kg 环氧树脂 15/kg 巴尔沙木 12/kg PVC泡沫 13.5/kg 粘合剂 总计
减重27% 成本增加14%
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
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碳纤维在风电叶片中的应用优势
疲劳性能
循 环 应 变 幅 度
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 计者们通常无法充分利用 玻璃纤维的静应变范围。 碳结构静态时很稳定， 在20年寿命期间，其疲劳 损伤很小。
疲劳循环次数— N
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主梁设计
环氧树脂浸渍无 碱玻璃纤维 浸渍玻璃纤维
盒式梁(2腹板) 0 4,725 8,213 875 235 286 14,334
环氧树脂浸渍无 碱玻璃纤维 浸渍玻璃纤维
盒式梁（2腹板） 0 7,201 7,904 750 235 286 16,376
环氧树脂浸渍 无碱玻璃纤维 碳纤维预浸料
工字梁（1腹板） 1,298 0 7,716 926 235 286 10,461
5MW 3.6MW 陆上风机 2.5MW
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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
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。
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
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 —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
1.00E+07
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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）
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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
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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E-glass/epoxy (Vf=53%) Lay-up and % 0° -material: [±45/0° ]S, 64%-0° Laminate fabricated by: MSU
1.00E+00 1.00E+01 1.00E+02 1.00E+03 1.00E+04 1.00E+05
1.00E+06
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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。
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碳纤维在风电叶片中的应用优势
CFRP—T620疲劳实验结果
2500 600 2000
UD Fabric T620S Saertex T620S Saertex CF”A” 应力范围 Δσ
1500
Maximum Sress S MPa
500
400
环境：大气中 温度：R.T. 材质：CFRP 载荷：控制 波形：sin波 周波数：5Hz 应力比：R=-1
300
1000
200
100
500
0 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07 1.E+08
0
Leabharlann Baidu
# of Cycles N
主梁材料
主梁设计 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($) 23.5/kg 碳纤维预浸料 3/kg 干玻纤 7/kg 环氧树脂 15/kg 芯材 12/kg 粘合剂 13.5/ 根部紧固件 总计
浸渍玻璃纤维
-27%
$ $ $ $ $ $ $ 28,332 24,460 13,125 2,820 3,861 72,599 $ $ $ $ $ $ $ 33,077 28,556 11,250 2,820 3,861 79,564 $ $ $ $ $ $ $ 30,503 16,896 14,587 13,890 2,820 3,861 82,557 中国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
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 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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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） 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
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
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
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，
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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
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
碳纤维叶片 碳纤维叶片 叶 片 重 量
（千克）
玻纤叶片 玻纤叶片
/
随着叶片长度的增加，为了减轻叶片重
叶片长度 /（米） 叶片长度 /（米）
量，同时又提高刚度，碳纤维就成了解
提高叶片强度，减轻叶片重量
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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) WEI57-3000G 57 116 3.0 WEI57-3000G2 低扰度 57 116 3.0 WEI57-3000C 57 116 3.0
仅针对材料成本
外壳材料 主梁材料
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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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 kg 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