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近年來，隨著全球環(huán)境危機意識增強以及可再生資源利用需求旺盛，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展越來越受重視。風(fēng)電葉片作為風(fēng)電機組中捕獲風(fēng)能的關(guān)鍵部件，其葉片長度與發(fā)電能力正相關(guān)，即：葉片長度越長、發(fā)電能力也越高。
隨著風(fēng)電葉片長度增大、葉輪直徑增加，其對材料特性需求也越來越明確，輕質(zhì)、高強、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)合未來風(fēng)電領(lǐng)域發(fā)展趨勢，介紹隨著葉輪直徑大幅增加，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時對材料特性需求，并提出碳纖維何種發(fā)展趨勢來滿足要求。
背景介紹
基于全球各國環(huán)保意識增強，未來20年利用可再生資源實現(xiàn)發(fā)電的發(fā)展趨勢如圖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、太陽能發(fā)電以及其他方式如地熱發(fā)電等。
而對于風(fēng)電領(lǐng)域，全球風(fēng)電裝機總量呈現(xiàn)高速增長趨勢，尤其是對于超大型（＞2.5MW）以上十年增長了近50倍（圖2）。
自上世紀80年代至2020年，國外風(fēng)電葉片長度發(fā)展如圖3所示，國外風(fēng)電葉片長度最長已經(jīng)達到126m。
伴隨風(fēng)電葉片長度增加，風(fēng)電葉輪直徑也大幅提高，由上世紀80年代50kw時15m提高到目前10MW時180m。
風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料特性需求
1、結(jié)構(gòu)設(shè)計要求：
隨著風(fēng)電葉片長度增加、葉輪直徑增大，其結(jié)構(gòu)設(shè)計要求越來越高，主要設(shè)計要求包括：
※ 葉片必須滿足剛度要求以抵抗極端負荷；
※ 葉片具有優(yōu)異耐疲勞特性，在其整個使用壽命期間必須承受疲勞載荷；
※ 葉片必須堅硬，具有一定強度，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)計要求轉(zhuǎn)化為以下材料要求：
※ 需要高強度才能承受極端載荷；
※ 需要高疲勞強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，對于既定剛度的結(jié)構(gòu)梁，如果實現(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，因此按照圖5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比如表1所示，結(jié)合圖5函數(shù)關(guān)系，碳纖維高比強度是其在風(fēng)電葉片領(lǐng)域獲得應(yīng)用的關(guān)鍵，尤其對于高模量碳纖維，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，來保持葉片的空氣動力學(xué)形狀，并防止與塔架碰撞，因此高模量碳纖維勢必成為大型風(fēng)電葉片用材料發(fā)展趨勢。
日本東麗公司經(jīng)研究指出，對于大型風(fēng)電葉片隨著葉片長度增加必須采用高模量碳纖維（圖7），其原因在于當葉片長度為50m時，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)葉片剛度難以滿足要求，易于發(fā)生彎曲，長時間運行后會與塔架發(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，尤其是近期國內(nèi)外開發(fā)的第三代的兼具高強度高模量特性的新型碳纖維可同時解決材料強度、剛度等問題，但如何降低實際使用過程中的成本仍待深入探索。
碳纖維輕質(zhì)高強特性對于汽車工業(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車身重量，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格，但是國外大型車企仍欲欲躍試。
隨著風(fēng)電葉片長度增大、葉輪直徑增加，其對材料特性需求也越來越明確，輕質(zhì)、高強、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)合未來風(fēng)電領(lǐng)域發(fā)展趨勢，介紹隨著葉輪直徑大幅增加，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時對材料特性需求，并提出碳纖維何種發(fā)展趨勢來滿足要求。
背景介紹
基于全球各國環(huán)保意識增強，未來20年利用可再生資源實現(xiàn)發(fā)電的發(fā)展趨勢如圖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、太陽能發(fā)電以及其他方式如地熱發(fā)電等。
圖1 利用可再生能源發(fā)電的發(fā)展趨勢
而對于風(fēng)電領(lǐng)域，全球風(fēng)電裝機總量呈現(xiàn)高速增長趨勢，尤其是對于超大型（＞2.5MW）以上十年增長了近50倍（圖2）。
圖2 全球風(fēng)電裝機總量的發(fā)展趨勢
自上世紀80年代至2020年，國外風(fēng)電葉片長度發(fā)展如圖3所示，國外風(fēng)電葉片長度最長已經(jīng)達到126m。
圖3 1980-2020年國外風(fēng)電葉片長度的發(fā)展
伴隨風(fēng)電葉片長度增加，風(fēng)電葉輪直徑也大幅提高，由上世紀80年代50kw時15m提高到目前10MW時180m。
圖4 葉輪直徑尺寸的發(fā)展趨勢
風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料特性需求
1、結(jié)構(gòu)設(shè)計要求：
隨著風(fēng)電葉片長度增加、葉輪直徑增大，其結(jié)構(gòu)設(shè)計要求越來越高，主要設(shè)計要求包括：
※ 葉片必須滿足剛度要求以抵抗極端負荷；
※ 葉片具有優(yōu)異耐疲勞特性，在其整個使用壽命期間必須承受疲勞載荷；
※ 葉片必須堅硬，具有一定強度，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)計要求轉(zhuǎn)化為以下材料要求：
※ 需要高強度才能承受極端載荷；
※ 需要高疲勞強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，對于既定剛度的結(jié)構(gòu)梁，如果實現(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，因此按照圖5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比如表1所示，結(jié)合圖5函數(shù)關(guān)系，碳纖維高比強度是其在風(fēng)電葉片領(lǐng)域獲得應(yīng)用的關(guān)鍵，尤其對于高模量碳纖維，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，來保持葉片的空氣動力學(xué)形狀，并防止與塔架碰撞，因此高模量碳纖維勢必成為大型風(fēng)電葉片用材料發(fā)展趨勢。
日本東麗公司經(jīng)研究指出，對于大型風(fēng)電葉片隨著葉片長度增加必須采用高模量碳纖維（圖7），其原因在于當葉片長度為50m時，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)葉片剛度難以滿足要求，易于發(fā)生彎曲，長時間運行后會與塔架發(fā)生碰撞。
圖7 大型風(fēng)電葉片材料特性需求（來源：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，尤其是近期國內(nèi)外開發(fā)的第三代的兼具高強度高模量特性的新型碳纖維可同時解決材料強度、剛度等問題，但如何降低實際使用過程中的成本仍待深入探索。
碳纖維輕質(zhì)高強特性對于汽車工業(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車身重量，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格，但是國外大型車企仍欲欲躍試。
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