“中国制造”碳纤维   打造轻量化风电叶片

■ 中材科技风电叶片股份有限公司  高国强

　　  在当前国际能源与环境的双重压力下，大力发展清洁能源和低碳经济已经成为保持我国经济持续稳定发展的重要任务。国家发改委能源研究所发布的《中国风电发展路线图2050》提出了中国风电未来40年的发展目标：到2020年、2030年和2050年，风电装机容量将分别达到2亿、4亿和10亿千瓦。到2050年，风电将满足17%的国内电力需求。

轻量化趋势助力碳纤维风电领域应用

    碳纤维在风电领域主要用于大型风电叶片主承力结构的制造，在实现高刚度结构的同时大幅减轻叶片重量。此外，碳纤维还能够降低风力机叶片的制造和运输成本；使风机的输出功率更平滑更均衡，提高风能利用效率；提高叶片恶劣环境适应性；碳纤维的振动阻尼特性可避免叶片自然频率与塔暂短频率间发生共振。同时，在叶片优化改型设计中采用碳纤维替代玻纤，能够在不改变叶片重量和保持原有主机的基础上，实现原有叶片型号适用风区提升；使用碳纤维进步实现叶片加长，增大扫风面积，提高发电效率。

　　  随着风电叶片大型化发展趋势，碳纤维在70米以上的风电叶片制造中将成为不可替代的高性能材料。由于碳纤维在大型风电叶片中的使用量大，如单支77米的叶片使用碳纤维达到3吨，因此碳纤维在风电叶片中的应用对国产碳纤维的发展将起到非常大的带动作用。

  　　此外，我国低风速区低风速资源面积约占全国风能资源区的68%，且接近电网负荷的受端地区。2014年以后，适用于低风速区的风电机组和风电叶片已经成为风电行业的主要发展方向。随着国内低风速风电的发展需求，风电叶片长度越来越长，而采用碳纤维实现叶片结构轻量化是其发展的必要条件，会形成非常大的碳纤维复合材料需求。

  　　海上风电应用方面，由于其投资大，维护难度高，选择大功率风电机组已经成为必然趋势。4M～6MW机组将成为未来几年的主要选择。由于减重和降载的需要，碳纤维复合材料将会是海上风电叶片制造的必然选择。

    碳纤维在风电叶片中主要用于主梁位置、后缘梁和叶根，作为主承力结构，在提高叶片整体刚度的同时，实现减重。将碳纤维用于风电叶片蒙皮位置，在保持叶片气动外形时，蒙皮表面整体使用碳纤维，可以降低作用在内支撑梁上的受力和扭矩，通过设计可以实现 “材料诱导式”的叶片受载弯扭耦合。根据风电叶片承受载荷分布的特点，在叶片局部位置采用碳纤维增强，也会在成本增加不多的条件下，带来更多的好处。此外，由于碳纤维自身的导电特性，碳纤维也被用于风电叶片防雷设计。　　

    大规模用于风电叶片制造的材料主要是碳纤维预浸料。大丝束碳纤维预浸料在风电叶片领域的优势明显。单向碳纤维预浸料密度高达600g/m2，这类厚重的预浸料大大提升了预浸和后续铺放工艺的效率。除了碳纤维厂家提供此类产品外，一些国外复合材料公司也通过购买原丝来生产适用于风电叶片制造的碳纤维预浸料。　　　　

先进技术国产化打造风电叶片“中国心”

　　  用于风电叶片制造的低成本碳纤维复合材料大型结构件成型技术主要有两类，一类是应用厚重碳纤维预浸料的低压中温真空袋法成型技术；一类是碳纤维复合材料液体成型技术，主要是真空灌注成型技术。前者是基于通用预浸料技术的一种低成本化改良。不使用热压罐免去了巨大的设备成本，仅仅在一个真空负压下和不超过120℃的成型温度下就能完成成型过程，相对的低温和低压降低了成型成本。通常使用厚重的预浸料带和简易的辅助定位工装，提高了铺层效率和精确度。目前国外所有应用碳纤维复合材料的风电叶片，包括GE、VESTAS、GAMESA等所生产的碳纤维型号，都用该方法成型。碳纤维复合材料液体成型技术，由于一系列的技术难点，目前尚未得到规模化应用。与预浸料技术相比，液体成型技术具有更大的选材余地，不必低温储存和运输原材料，对模具的要求进一步降低，这些都使其具有一定的成本优势。与玻纤复合材料液体成型技术比，碳纤维由于直径更小、更易变形，而导致树脂浸渍和预成型体定型困难。近年来，一些风电叶片树脂供应商，根据风能领域的需求开发了系列碳纤维复合材料液体成型专用环氧树脂体系，如迈图提供的RIM145树脂体系、上纬的2515树脂体系、CTP的3325树脂体系等。一些织物厂家也对碳纤维织物进行改良以强化其形状稳定性，比如SAERTEX公司开发的面重600gsm的碳纤维单轴向织物。目前已经证实碳纤维复合材料液体成型技术可以用于风电叶片的制造。

    近几年来，中材叶片一直致力于碳纤维复合材料叶片的开发，2012年在Sinoma56m/3.6MW叶片的主梁上首次采用碳纤维预浸料， 22套56m/3.6MW风电叶片出口美国；2012开发生产的DW45.3m/2MW叶片，此款叶片主梁帽也采用碳纤维预浸料制作，实现80多套叶片的销售和挂机。2014年开发的77.7m/6MW海上叶片，主梁采用碳纤维预浸料制造，2015年初实现挂机。

    中材叶片联合中航复材、中简科技和常州宏发，开发了风电叶片专用国产碳纤维单轴向织物和国产碳纤维预浸料带，并通过工艺优化、结构设计优化完成了45.2m碳纤维复合材料风电叶片样片的制备，通过了结构静力测试。这一工作证明了国产碳纤维完全可以用于风电叶片，并且预浸料成型与真空导入成型通过工艺优化可以达到类似的力学性能。　

设计与工艺技术协同降低使用成本

　　  降低碳纤维复合材料的应用成本是推动其在风电叶片领域应用的关键。主要的研究和发展集中在以下几个方面：低成本化的原材料、成型技术，以及材料、产品设计和成型工艺技术的协同。

  　　从材料技术发展分析，碳玻混杂技术由于在性能方面能够实现有效提升，材料成本又能够得到控制，将会在一些叶型上得到应用。混杂方式包括直接混铺、层间混合编织、面内混合编织等方式。根据叶片载荷需要，设计不同的层间混合和不同比例的面内混合编织，能够实现材料性能和成本组合的最优化。

  　　近几年，国外一些公司在碳纤维拉挤技术应用于风电叶片制造进行了探索性的研究，代表性的有Fiberline Composite和Zoltek公司。碳纤维拉挤技术由于其成型效率高，采用碳纤维直接成型，减少了编织环节，有明显的成本优势和质量可靠性优势，在未来几年叶片的设计和制造中，将会形成一定的应用。这一技术需要解决的难点在于碳纤维拉挤板材在叶片中的组合方式以及层间界面问题。

  　　叶片减重会显著降低传递给主机、塔筒和基础的载荷。因此，通过系统设计，叶片减重能够降低主机、塔筒和基础的综合成本。在新机型的开发中，如60米以上大型叶片，设计之初就考虑采用碳纤维制造风电叶片，在载荷匹配过程中，可以降低主机、塔筒和基础的承载要求，从而实现成本综合降低。这些成本的降低，也将使得风力发电总投资降低。