近年來(lái),隨著全球環(huán)境危機(jī)意識(shí)增強(qiáng)以及可再生資源利用需求旺盛,風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展越來(lái)越受重視。風(fēng)電葉片作為風(fēng)電機(jī)組中捕獲風(fēng)能的關(guān)鍵部件,其葉片長(zhǎng)度與發(fā)電能力正相關(guān),即:葉片長(zhǎng)度越長(zhǎng)、發(fā)電能力也越高。
隨著風(fēng)電葉片長(zhǎng)度增大、葉輪直徑增加,其對(duì)材料特性需求也越來(lái)越明確,輕質(zhì)、高強(qiáng)、高剛、耐疲勞等,而碳纖維似乎兼顧了這些特性。
本文主要結(jié)合未來(lái)風(fēng)電領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì),介紹隨著葉輪直徑大幅增加,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)材料特性需求,并提出碳纖維何種發(fā)展趨勢(shì)來(lái)滿(mǎn)足要求。
背景介紹
基于全球各國(guó)環(huán)保意識(shí)增強(qiáng),未來(lái)20年利用可再生資源實(shí)現(xiàn)發(fā)電的發(fā)展趨勢(shì)如圖1所示,其中可再生資源發(fā)電包括氫能發(fā)電、生物發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電以及其他方式如地?zé)岚l(fā)電等。
而對(duì)于風(fēng)電領(lǐng)域,全球風(fēng)電裝機(jī)總量呈現(xiàn)高速增長(zhǎng)趨勢(shì),尤其是對(duì)于超大型(>2.5MW)以上十年增長(zhǎng)了近50倍(圖2)。
自上世紀(jì)80年代至2020年,國(guó)外風(fēng)電葉片長(zhǎng)度發(fā)展如圖3所示,國(guó)外風(fēng)電葉片長(zhǎng)度最長(zhǎng)已經(jīng)達(dá)到126m。
伴隨風(fēng)電葉片長(zhǎng)度增加,風(fēng)電葉輪直徑也大幅提高,由上世紀(jì)80年代50kw時(shí)15m提高到目前10MW時(shí)180m。
風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料特性需求
1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求:
隨著風(fēng)電葉片長(zhǎng)度增加、葉輪直徑增大,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求越來(lái)越高,主要設(shè)計(jì)要求包括:
※ 葉片必須滿(mǎn)足剛度要求以抵抗極端負(fù)荷;
※ 葉片具有優(yōu)異耐疲勞特性,在其整個(gè)使用壽命期間必須承受疲勞載荷;
※ 葉片必須堅(jiān)硬,具有一定強(qiáng)度,以防止在極端載荷下與塔架碰撞;局部剛度也必須足以防止極端載荷,局部剛度還必須足以防止受壓組件的不穩(wěn)定性(避免局部或整體屈曲);
※ 葉片結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能輕,以最大程度地降低發(fā)電成本,此外應(yīng)避免共振。
2、材料特性要求:
在材料特性方面,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)化為以下材料要求:
※ 需要高強(qiáng)度才能承受極端載荷;
※ 需要高疲勞強(qiáng)度以抵抗變化的載荷并減少維修期間的材料降解;
※ 需要很高的材料剛度,以保持葉片的空氣動(dòng)力學(xué)形狀,防止與塔架碰撞,并防止在壓縮載荷下局部不穩(wěn)定(屈曲);
※ 需要低密度以減小重力并最小化動(dòng)力成本。
3、復(fù)合材料必要性:
按照結(jié)構(gòu)梁質(zhì)量與剛度之間函數(shù)關(guān)系式,對(duì)于既定剛度的結(jié)構(gòu)梁,如果實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)質(zhì)量最輕,則需要E^(1/2)/ρ數(shù)值越大。
由于材料特性不同,因此E^(1/2)/ρ數(shù)值也存在一定差異(圖6),總體而言復(fù)合材料體密度明顯低于金屬材料,而模量卻可與金屬相當(dāng),因此按照?qǐng)D5函數(shù)關(guān)系,E^(1/2)/ρ數(shù)值大則易于輕量化。
碳纖維材料與玻璃纖維、芳綸纖維、以及其他金屬特性對(duì)比如表1所示,結(jié)合圖5函數(shù)關(guān)系,碳纖維高比強(qiáng)度是其在風(fēng)電葉片領(lǐng)域獲得應(yīng)用的關(guān)鍵,尤其對(duì)于高模量碳纖維,其比剛度最高。
表1 不同材質(zhì)力學(xué)性能特性
隨著風(fēng)電葉片長(zhǎng)度增加,要求風(fēng)電葉片用碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的剛度,來(lái)保持葉片的空氣動(dòng)力學(xué)形狀,并防止與塔架碰撞,因此高模量碳纖維勢(shì)必成為大型風(fēng)電葉片用材料發(fā)展趨勢(shì)。
日本東麗公司經(jīng)研究指出,對(duì)于大型風(fēng)電葉片隨著葉片長(zhǎng)度增加必須采用高模量碳纖維(圖7),其原因在于當(dāng)葉片長(zhǎng)度為50m時(shí),采用玻璃纖維材質(zhì)彎曲系數(shù)為4.6,而碳纖維僅為1.4,也就意味著玻璃纖維材質(zhì)葉片剛度難以滿(mǎn)足要求,易于發(fā)生彎曲,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后會(huì)與塔架發(fā)生碰撞。
雖然高模量碳纖維符合為了大型風(fēng)電葉片的性能要求,尤其是近期國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)的第三代的兼具高強(qiáng)度高模量特性的新型碳纖維可同時(shí)解決材料強(qiáng)度、剛度等問(wèn)題,但如何降低實(shí)際使用過(guò)程中的成本仍待深入探索。
碳纖維輕質(zhì)高強(qiáng)特性對(duì)于汽車(chē)工業(yè)而言具有極大吸引力,CFRP大規(guī)模應(yīng)用不但可以有效降低汽車(chē)車(chē)身重量,降低能耗,而且在CO2減排具有積極意義,雖然碳纖維具有較高價(jià)格,但是國(guó)外大型車(chē)企仍欲欲躍試。
隨著風(fēng)電葉片長(zhǎng)度增大、葉輪直徑增加,其對(duì)材料特性需求也越來(lái)越明確,輕質(zhì)、高強(qiáng)、高剛、耐疲勞等,而碳纖維似乎兼顧了這些特性。
本文主要結(jié)合未來(lái)風(fēng)電領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì),介紹隨著葉輪直徑大幅增加,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)材料特性需求,并提出碳纖維何種發(fā)展趨勢(shì)來(lái)滿(mǎn)足要求。
背景介紹
基于全球各國(guó)環(huán)保意識(shí)增強(qiáng),未來(lái)20年利用可再生資源實(shí)現(xiàn)發(fā)電的發(fā)展趨勢(shì)如圖1所示,其中可再生資源發(fā)電包括氫能發(fā)電、生物發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電以及其他方式如地?zé)岚l(fā)電等。
圖1 利用可再生能源發(fā)電的發(fā)展趨勢(shì)
而對(duì)于風(fēng)電領(lǐng)域,全球風(fēng)電裝機(jī)總量呈現(xiàn)高速增長(zhǎng)趨勢(shì),尤其是對(duì)于超大型(>2.5MW)以上十年增長(zhǎng)了近50倍(圖2)。
圖2 全球風(fēng)電裝機(jī)總量的發(fā)展趨勢(shì)
自上世紀(jì)80年代至2020年,國(guó)外風(fēng)電葉片長(zhǎng)度發(fā)展如圖3所示,國(guó)外風(fēng)電葉片長(zhǎng)度最長(zhǎng)已經(jīng)達(dá)到126m。
圖3 1980-2020年國(guó)外風(fēng)電葉片長(zhǎng)度的發(fā)展
伴隨風(fēng)電葉片長(zhǎng)度增加,風(fēng)電葉輪直徑也大幅提高,由上世紀(jì)80年代50kw時(shí)15m提高到目前10MW時(shí)180m。
圖4 葉輪直徑尺寸的發(fā)展趨勢(shì)
風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料特性需求
1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求:
隨著風(fēng)電葉片長(zhǎng)度增加、葉輪直徑增大,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求越來(lái)越高,主要設(shè)計(jì)要求包括:
※ 葉片必須滿(mǎn)足剛度要求以抵抗極端負(fù)荷;
※ 葉片具有優(yōu)異耐疲勞特性,在其整個(gè)使用壽命期間必須承受疲勞載荷;
※ 葉片必須堅(jiān)硬,具有一定強(qiáng)度,以防止在極端載荷下與塔架碰撞;局部剛度也必須足以防止極端載荷,局部剛度還必須足以防止受壓組件的不穩(wěn)定性(避免局部或整體屈曲);
※ 葉片結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能輕,以最大程度地降低發(fā)電成本,此外應(yīng)避免共振。
2、材料特性要求:
在材料特性方面,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)化為以下材料要求:
※ 需要高強(qiáng)度才能承受極端載荷;
※ 需要高疲勞強(qiáng)度以抵抗變化的載荷并減少維修期間的材料降解;
※ 需要很高的材料剛度,以保持葉片的空氣動(dòng)力學(xué)形狀,防止與塔架碰撞,并防止在壓縮載荷下局部不穩(wěn)定(屈曲);
※ 需要低密度以減小重力并最小化動(dòng)力成本。
3、復(fù)合材料必要性:
按照結(jié)構(gòu)梁質(zhì)量與剛度之間函數(shù)關(guān)系式,對(duì)于既定剛度的結(jié)構(gòu)梁,如果實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)質(zhì)量最輕,則需要E^(1/2)/ρ數(shù)值越大。
圖5 結(jié)構(gòu)梁質(zhì)量與剛度之間函數(shù)關(guān)系
由于材料特性不同,因此E^(1/2)/ρ數(shù)值也存在一定差異(圖6),總體而言復(fù)合材料體密度明顯低于金屬材料,而模量卻可與金屬相當(dāng),因此按照?qǐng)D5函數(shù)關(guān)系,E^(1/2)/ρ數(shù)值大則易于輕量化。
圖6 不同材料之間的模量/體密度間關(guān)系
風(fēng)電葉片用碳纖維材料的發(fā)展碳纖維材料與玻璃纖維、芳綸纖維、以及其他金屬特性對(duì)比如表1所示,結(jié)合圖5函數(shù)關(guān)系,碳纖維高比強(qiáng)度是其在風(fēng)電葉片領(lǐng)域獲得應(yīng)用的關(guān)鍵,尤其對(duì)于高模量碳纖維,其比剛度最高。
表1 不同材質(zhì)力學(xué)性能特性
隨著風(fēng)電葉片長(zhǎng)度增加,要求風(fēng)電葉片用碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的剛度,來(lái)保持葉片的空氣動(dòng)力學(xué)形狀,并防止與塔架碰撞,因此高模量碳纖維勢(shì)必成為大型風(fēng)電葉片用材料發(fā)展趨勢(shì)。
日本東麗公司經(jīng)研究指出,對(duì)于大型風(fēng)電葉片隨著葉片長(zhǎng)度增加必須采用高模量碳纖維(圖7),其原因在于當(dāng)葉片長(zhǎng)度為50m時(shí),采用玻璃纖維材質(zhì)彎曲系數(shù)為4.6,而碳纖維僅為1.4,也就意味著玻璃纖維材質(zhì)葉片剛度難以滿(mǎn)足要求,易于發(fā)生彎曲,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后會(huì)與塔架發(fā)生碰撞。
圖7 大型風(fēng)電葉片材料特性需求(來(lái)源:Toray)
雖然高模量碳纖維符合為了大型風(fēng)電葉片的性能要求,尤其是近期國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)的第三代的兼具高強(qiáng)度高模量特性的新型碳纖維可同時(shí)解決材料強(qiáng)度、剛度等問(wèn)題,但如何降低實(shí)際使用過(guò)程中的成本仍待深入探索。
碳纖維輕質(zhì)高強(qiáng)特性對(duì)于汽車(chē)工業(yè)而言具有極大吸引力,CFRP大規(guī)模應(yīng)用不但可以有效降低汽車(chē)車(chē)身重量,降低能耗,而且在CO2減排具有積極意義,雖然碳纖維具有較高價(jià)格,但是國(guó)外大型車(chē)企仍欲欲躍試。