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碳纤维在风电领域的近期技术进展一览

国际新能源网  来源:新材料视界  日期:2017-08-11
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       CFRP作为风电叶片的增强结构
 
  风能是最具成本优势的可再生能源,风能发电在近10年来已取得飞速发展。截至2016年5月,全球风电装机容量已近4 270亿MW(表1)。并据预测,2020年前,新增风电装机能力将按25%的年增长率递增;到2020年,风力发电量将占世界总发电量的11.81%。
 
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  为提高风力发电机的风能转换效率,增大单机容量和减轻单位千瓦质量是关键。20世纪90年代初期,风电机组单机容量仅为500 kW,而如今,单机容量10 MW的海上风力发电机组都已产品化。风电叶片是风电机组中有效捕获风能的关键部件,叶片长度 随风电机组单机容量的提高而不断增长。根据顶旋理论,为获得更大的发电能力,风力发电机需安装更大的叶片。1990年,叶轮直径(Rotor Diameter)为25 m;2010年,叶轮直径已达120 m。2011年,Kaj Lindvig预测海上风机的叶轮直径2015年将达135 m,2020年将达到160 m。但这一预测很快就被突破,美国超导公司(AmericanSuperconductor Corp.)2016年已投入市场销售的10 MW海上风力发电机的叶轮直径就已达190 m。但因叶片长度的问题,业界就是否需发展10 MW及以上能力的风力发电机存有争议,但主流观点是需要发展的。西门子风电(Siemens Wind Power)公司首席技术官认为:面积与体积的关系的科学定律将最终限制叶轮直径的不断增长,但目前还未达到极限,制造10 MW风力发电机在技术上是可行的;且从运营效益上看,降低每兆瓦时的运营成本,必须提高风力发电机的容量(图17)。
 
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图17 叶片直径的增长过程
 
  叶轮直径的增加对叶片的质量及抗拉强力提出了更轻、更高的要求。CFRP是制造大型叶片的关键材料,其可弥补玻璃纤维复合材料(GFRP)的性能不足。但长期以来,出于成本因素,CFRP在叶片制造中只被用于樑帽、叶根、叶尖和蒙皮等关键部位。近年,随着碳纤维价格稳中有降,加之叶片长度进一步加长,CFRP的应用部位增加,用量也有较大提升。2014年,中材科技风电叶片股份有限公司成功研制出国内最长的6 MW风机叶片,该叶片全长77.7 m、质量28 t,其中主梁由5 t的国产CFRP制成。如采用GFRP设计,则该叶片质量将约达36 t(图18)。
 
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图18 6 MW风机叶片加工与试验现场(中材科技风电叶片股份有限公司研制)
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