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碳纤维在叶片轻量化设计中的重要作用

来源:荣格-《国际复材技术商情》 发布时间:2021-04-19 674
化工塑料橡胶塑料加工设备模具及零件材料处理、计量与检测原料及混合物添加剂及母粒其他增强塑料 会客室
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——访株洲南车时代电气股份有限公司副总工程师冯学斌先生
在风能的各种利用形式中,风力发电是风能利用的主要形式,也是目前可再生能源中技术最成熟、最具有规模化开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。

随着近年来对环境的整治力度加大,我国逐渐从煤炭发电转向环保的风力发电,风力发电量逐年增长,如今已成为风能利用的主要形式。


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株洲南车时代电气股份有限公司副总工程师冯学斌先生表示:“2019年中国风电发电大幅增长到4057亿千瓦时,增长率高达10.85%;2020年上半年,全国风电发电量为2379亿千瓦时,同比增长10.91%。风电是我国继煤电、水电之后的第三大能源。”

风电装机容量逐年增长。据统计,2019年我国风电装机容量达到了21005万千瓦。2020年上半年,我国风电装机容量达到了21675万千瓦,其中新增风电并网装机容量632万千瓦。

近年来,由于我国陆上风电的建设技术已日趋成熟,加之海上风电资源更为广阔,国家风电发展政策逐渐向海上发电倾斜。在我国东部沿海的海上,其可开发风能资源约达7.5亿千瓦,不仅资源潜力巨大且开发利用市场条件良好。

从风电新增并网装机来看,2020年上半年,全国风电新增并网装机632万千瓦,其中陆上风电新增装机526万千瓦、海上风电新增装机106万千瓦。截止2020年6月底,全国风电累计装机2.17亿千瓦,其中陆上风电累计装机2.1亿千瓦、海上风电累计装机699万千瓦,海上发电的比重正在逐步提升。

风电制造业的激烈竞争最终迎来兼并整合时代,风电市场也会进一步向大型开发商集中,加之技术的进步和规模的明显扩大,整个行业正在步入成熟、稳定的工业化发展轨道。

“风电叶片是风电装备用于捕获风能的核心部件,其设计及制造能力决定了风电装备最终的性能、成本、质量等关键参数,其成本约占整个风电机组的20%。目前,风电叶片主要由纤维、树脂、夹心、涂层、金属连接件组成。”冯工介绍说。

全球目前最长风电叶片是LM 107米叶片。该叶片历经2年之久,终获权威认证机构 TUV NORD 认证。它是世界上第一支超过100米的风机叶片。国内最长叶片为洛阳双瑞83.6米。

叶片的轻量化设计:碳纤维应用

玻璃纤维和碳纤维是风电叶片主要材料。未来叶片的发展趋势主要体现在单机容量更大、叶片长度更长、成本更低,材料更轻、强度更高等。碳纤维作为重要的制造材料,可以令巨大的叶片重量更轻、强度更硬,提高转换效率。

冯工表示:“陆上风电叶片将向低风速区域发展,超长型风电叶片将成为主要研究对象。而海上风能具有资源丰富、不占用土地、环境影响小和适合大规模开发等特点,海上风电叶片将成为全球风电产业发展重要方向。此外,《‘十三五’国家战略性新兴产业发展规划》中提到,重点发展5兆瓦级以上风电机组。碳纤维是风电叶片理想的应用材料。”

 “碳纤维刚度高。碳纤维的刚度是玻璃纤维的3倍,制成的复合材料是玻璃钢的2倍;重量轻:在满足刚度和强度要求的条件下,比玻纤叶片重量减少20%以上。其具有更低负荷,意味着更轻的变桨轴承、偏航系统、风机轮毂、塔筒;重量轻,因此更易操作,运输及吊装;此外,还可以减少组件大小。碳纤维制成的叶片翼型更薄,因而叶片气动性能更好,提高风能利用率和年发电量;且预弯更少。” 冯工介绍说,“随着叶片长度增加,为减轻叶片重量,碳纤维成了解决设计难题的首选材料。”

目前维斯塔斯兆瓦级以上风机叶片都使用碳纤维复合材料,极大的推动了碳纤维在风电领域的应用,2016年全球碳纤维用量首次超过航空航天,成为碳纤维用量最大的领域,2019年风电使用的碳纤维2万多吨,而维斯塔斯一家用量就在2万吨左右。预计近几年还会保持20%的增长。

未来海上风电机组的额定功率将超过10MW、转子直径约100m,碳纤维能够为海上风力发电提供更轻质、发电性能更优异的叶片。风电机组的大型化和海上化都极大的地拉动叶片对碳纤维的需求。

另有数据表明,2019年全球风电叶片碳纤维用量占全球碳纤维的26%,这表明碳纤维在风电叶片领域用量正在迅猛增长。

叶片设计中可能遇到的问题与解决方案

◆ 叶片除冰

对于安装在湿度大、高寒地区的风机,其叶片、风速仪等部件容易结冰。主要表现为水滴在叶片的表面凝结,并逐步增长的过程,主要在叶片的前缘区域。叶片结冰会对风机运行遣成极大的危害,通过防除冰的叶片功能化设计进行除冰。

冯工介绍了一些常见风机叶片主动型除冰方法如下表:


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◆ 叶片分段设计

随着风电机组单机装机容量增加,叶片长度不断增加。 山地/丘陵地带大叶片运输极为困难。大型叶片运输成本更加高昂,有些地区甚至无法送达。为了解决大型风力机长叶片的制造和运输难题,分段式叶片应运而生。大型风力机采用分段式叶片,可以充分利用现有的设备和技术条件生产更长的叶片,降低了叶片生产对工艺、设备和工装的要求。叶片分段后长度变为原来的一半或者更短,运输难度和成本显著降低,采用多段式叶片还可以降低现场吊装的难度。由此可见,在长叶片上采用分段连接技术对推进风能的高效利用、提高其经济效益具有重要意义。

此外,通过叶片生产模块化-关键部件预制可以降低主模占用时间;叶根预制可以消除预埋型叶根褶皱,提升产品质量。将风险最大的灌注工序,难度降低,时间缩短,减少缺陷发生概率。

◆ 叶片生产自动化:机器人协同打磨

风电叶片生产的自动化仍然为行业难题!风电叶片为尺寸大、外形结构复杂的大型复合材料产品,其生产成型及后处理加工的自动化实现为行业难题,目前仍无有效的整体解决方案。针对叶片人工打磨的缺点,时代新材与华中科大联合开发了智能抛磨机器人系统。

该系统共采用了4套ABB六轴工业机械臂及高精度导轨;配套激光测距、倾角、粉尘浓度等传感器;通过翻转车以及打磨头快换装置;实现了叶片打磨的全自动作业。

风力发电未来潜力可期

根据全球风能委员会GWEC发布的最新数据,2020年全球海上风电新增装机容量6.067GW,其中中国新增容量超过3GW,占全球新增一半以上。根据日前发布的“十四五”规划和2035年远景目标纲要,我国将加快发展非化石能源,坚持集中式和分布式并举,大力提升风电、光伏发电规模,加快发展东中部分布式能源,有序发展海上风电,加快西南水电基地建设,安全稳妥推动沿海核电建设,建设一批多能互补的清洁能源基地,非化石能源占能源消费总量比重提高到20%左右。风力发电的未来潜力仍十分可观。

风电市场的发展态势趋好,将进一步激发碳纤维的用量需求,这也意味着国产碳纤维行业迎来了更多发展机会。而伴随着叶片长度的增加,对碳纤维复合材料制造水平也提出了更高要求。■


来源:荣格-《国际复材技术商情》


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