碳纤维在风电叶片中的应用

1、sinoma中国中材碳纤维在风电叶片中的应用中材科技风电叶片股份有限公司二0一年八月一日sinoma中国中材汇报提纲一、碳纤维复合材料在风电叶片中应用的优势二、碳纤维在风电叶片上应用技术发展 三、碳纤维在风电行业中的应用展望sinoma申国而 一、碳纤维复合材料在风电叶片中应用的优势sinoma申国而 一、碳纤维复合材料在风电叶片中应用的优势1风电叶片的发展历程和趋势布蒙皮叶片复合材料风机叶片具有优异的综合性能料叶片复合材风电叶片材料的发展历程釆用复合材料来制造风机叶片可以取得优异的综合性能A可以充分利用复合材料的可设计性，对叶片的强度、刚度进行优化设计A对于复杂的外形和表面要求，可以制作出形

2、状复朵、轻质高强的叶片A具有疲劳强度高、缺口敏感性低、内部阻尼大、耐候性优良的特点维修性好、周期短、可以现场施工sinoma申国而 一、碳纤维复合材料在风电叶片中应用的优势风机机组正朝着大型化发展，叶片长度越来越长，捕获的风能越来 越多，必须开发更为先进的材料，具备轻质、高强以及刚性好的性能。100.00010.0001,000100101020406080卩1丿；-叶片5-8fS100 120 叶片宜径(m)随着叶片逐渐变大，风轮直径已突破120m,最长的叶片已做到61.5m,叶片自重达18t,大型叶片这对材料的强度和刚度提出了更加苛刻的要求，全玻璃钢叶片已无法满足叶片大型化，轻量化的要求。

3、2、碳纤维复合材料更加适合风电叶片的要求A比重小：约为钢材的1/5、A抗拉强度大：碳纤维的抗拉强度约为钢材的10倍A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A弹性模量高：碳纤维复合材料的拉伸弹性模量高于钢材，但玻璃纤维复合材料的拉伸弹性模量则仅为钢材的1 /4A疲劳强度：碳纤维复合材料的疲劳强度高于高强纲丝A还具有导电、热膨胀系数小、耐腐蚀和耐久性强等特点3 碳纤维在风电叶片中应用的优势A提高叶片刚度，减轻叶片重量25000 -20000 -15000 -10000 -5000 -3040506070Blade Length (m)碳纤维的密度比玻璃纤维小约30%,强

4、度大40%,尤其是模量高3至8倍，大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹、轻质的优点。直径为120m风轮叶片部分使用碳纤维可有效减少总体自重达38%，叶片成本降低14%,并使整个风力发电装置成本降低4.5%sinomaE国qj材一、碳纤维复合材料在风电叶片中应用的优势A提高叶片抗疲劳性能风机总是处在条件恶劣的坏境中，并且24 h的处于工作状态，这 使材料易于受到损害。碳纤维复合材料具有出众的抗疲劳特性，是风 力机适应恶劣气候条件的最佳材料之一。A使风机的输出功率更平滑更均衡，提高风能利用效率使用碳纤维后，叶片重量的降低和刚度的增加改善了叶片的空气 动力学性能，减少对塔和轮轴的负载，从而使风机的

5、输出功率更平滑 和更均衡，提高能量效率。同时，碳纤维叶片更薄，外形设计更有效 ，叶片更细长，也提高了能量的输出效率。sinoma申国而 一、碳纤维复合材料在风电叶片中应用的优势A可制造低风速叶片碳纤维的应用对以减少负载和增加叶片长度，从而制造适合于 低风速地区的大直径风叶，使风能成本下降。A可制造自适应叶片叶片装在发电机的轮轮上，叶片的角度可调。可充分利用碳纤维 复合材料质轻 和可设计性，形成非对称性和各向异性的材料，采用 弯曲/扭曲叶片设计，使叶片在强风中旋转时可减少瞬时负载，防止对 风机的损害。A降低风力机叶片的制造和运输成本由于减少了材料的应用，所以纤维和树脂的应用都减少了，叶片变 得轻

6、巧，制造和运输成本都会下降。可缩小工厂的规模和运输设备。A具有振动阻尼特性碳纤维的振动阻尼特性对避免叶片自然频率与塔暂短频率间发生 任何共振的町能性A利用导电性能避免雷击？ ？sinoma中国占材二、碳纤维在风电叶片中应用技术发展1.工艺技术冃前碳纤维复合材料风电叶片主要采用预浸料成型预浸料成型碳纤维复合材料风电叶片：A材料成木高A预浸料中树脂体系有一定的使用寿命，预浸料需要在低温下保存，需 要特殊的储存设备，储存成本高A需要特殊的设备辅助铺层，铺层过程较慢，成型周期长碳纤维复合材料风电叶片成型的发展趋势是低成本的液体成型技术A碳纤维材料成本低A不需要特殊的储存设备，材料储存成本低A生产周期短

7、，劳动力成本低sinoma申国03材二、碳纤维在风电叶片中应用技术发展2.质量控制技术XA碳纤维表面呈惰性，树脂浸润困难、预成型体渗透性能差，一般需进行表面处理sinoma申国03材二、碳纤维在风电叶片中应用技术发展sinoma申国03材二、碳纤维在风电叶片中应用技术发展P一般玻纤直径比较大碳纤有更多具体的浸渍表面（m2/kg）碳纤单向布比玻纤渗透性还低一般上碳纤纤维体积比含量较高ACFRP不透明，难以进行内部检査，需借助无损检测技术进行质量检测无损检测手段：超声、声发射、红外等超声无损检测碳纤维主梁照片sinoma中国占材 二、碳纤维在风电叶片中应用技术发展3 设计技术3.1用于风电叶片的碳

8、纤维织物的设计技术根据碳纤维在叶片中的应用部位以及成型工艺的要求，需要对碳纤维织物进行特殊的结构设计，以最大发挥碳纤维的性能优势。sinoma中国占材 二、碳纤维在风电叶片中应用技术发展sinoma中国占材 二、碳纤维在风电叶片中应用技术发展碳纤/玻纤整体3D编织物sinoma中国占材 二、碳纤维在风电叶片中应用技术发展碳纤维经编织物缝线将多层单向纤维层按指定的角度缝合起来碳纤维经编织物结构示意图和实物照片sinoma中国占材 二、碳纤维在风电叶片中应用技术发展碳纤维经编织物的特点:A铺覆性更好、纤维屈曲程度较小，更利于发挥纤维的性能A缝线的存在极大的增加了其复合材料的层间剪切强度、损伤容限和

9、冲击韧性A相对于单向纤维预浸带，虽然其复合材料的拉伸强度略低，但制造总成本低sinoma中国申材 二、碳纤维在叶片上的技术发展<3.2碳纤维在风电叶片中的应用设计技术A碳纤维复合材料主梁帽Shear webs (glass over core)碳纤维用于叶片主梁帽制造降低叶片重量，大幅提高叶片主梁的模量sinoma申国03材二、碳纤维在风电叶片中应用技术发展碳纤维复合材料梁结构形式:全碳纤维复合材料梁碳玻璃混合纤维复合材料主梁碳玻璃混合纤维复合材料主梁截面示意图降低作用在内支撑梁的受力和扭矩，并且在壳体外周围附近的薄层上的抵 抗拉力和压力的抗力，给叶片提供一个关于边缘弯曲模式的改良的结构

10、效率sinoma申国03材二、碳纤维在风电叶片中应用技术发展sinoma申国03材二、碳纤维在风电叶片中应用技术发展A碳纤维复合材料翼梁缘条设计以低成木满足对较长转子叶片的刚度要求，并减轻叶片重量sinoma中国占材 二、碳纤维在风电叶片中应用技术发展碳纤维复合材料梁的应用实例公司叶片长度或风机功率应用部位碳纤/玻纤混合及工艺Vestas44 m梁帽全碳纤维Gamesa42.5. 44、87、90m梁帽预浸碳纤/预浸玻纤交替NEG Micon40 m梁帽碳纤维增强Nordex Rotor44、56m主梁全碳纤维Repower转轮直径126m梁帽碳纤和玻纤混合De Wind40 m梁帽预浸碳纤梁

11、帽嵌入蒙皮GE48.5 m梁帽全碳纤维南通东泰电工2MW主梁全碳纤维中材叶片56m/3MW主梁全碳纤维中复联众39.2m/2MW主梁全碳纤维碳纤维复合材料梁相关专利： US7758313B2： Carbon-glass-hybrid spar for wind turbine rotor blades CN200710005708.6：风力涡轮机转子叶片的碳玻璃混合型翼梁 CN101057073A:用于风力涡轮机叶片的结构梁及其制造方法 US20080310964A1 ： Structural beam for a wind generator blade production method

12、thereofCN200910028100.4： 一种2.0MW风力机叶片碳纤维大梁的制造方法 CN200910028101.9： 一种风力发电机叶片用碳纤维大梁US20070189903A1: Wind turbine rotor bladesCN1294353C:风力涡轮机叶片及其制造方法US 20110123346A1: Wind turbine bladesinoma中国占材 二、碳纤维在风电叶片中应用技术发展sinoma中国占材 二、碳纤维在风电叶片中应用技术发展A碳纤维复合材料在叶根处的应用设计叶根安装法兰处碳纤维复合材料补强1411叶根处垂直于叶片长度截面示意图碳纤维沿叶片长度方

13、向取向sinoma中国占材 二、碳纤维在风电叶片中应用技术发展碳纤维复合材料叶根处增强：减小叶根壁的厚度增加叶根法兰处连接处的刚度，施加在螺栓的动态载荷减小，连接处 的疲劳强度增加。提高了法兰的断裂强度和承载强度，使得螺母的尺寸减小，T型螺栓的 间距缩短，可增加叶根法兰处螺栓数量，从而增加叶片和轮毂连接处的 静态和疲劳强度。碳纤维复合材料在叶根处应用设计相关专利：CN200810088112.1：用于风轮机的叶片US20070140863A1： Wind turbine rotor blade碳纤维复合材料在靠近叶尖处的应用设计叶尖部分重量减小，减小了叶根部分在涡轮上的负载，叶尖部分刚 度增加

14、，可以减小叶片偏斜太厉害导致叶片的尖部打击涡轮毂杆塔的 危险，并且比只由碳纤维复合材料构成的叶片生产成本低。相关专利：>US2005018053A1: Wind turbine blade with carbon fiber tip>CN03806411.1：具有碳纤维尖部的风力涡轮机叶片sinoma中国中材A碳纤维复合材料加固分段叶片x-x!'分段叶片连接处6/i7XX10J1碳纤维复合材料加固分段叶片，便于大型叶片的运输，同时形成 具有非常高的抗拉强度的连接接头，确保风轮机叶片和连接接头即使 在极端气象条件仍能正常工作。sinoma中国占材 二、碳纤维在风电叶片中应用技

15、术发展碳纤维复合材料加固分段叶片设计相关专利>JP2003214322：风力发电机叶片表面处理方法>CN1977108A:由两个分离的部分制成的风轮机叶片以及装配方法>US20080069699Al ： Wind turbine blades made of two separate sections ,and method of assembly相关应用实例公司叶片长度应用部位碳纤/玻纤混合及工艺U.S. DOE9.0 m蒙皮全表而碳纤/玻纤混合sinoma五蔺而三、碳纤维在风电产业中的应用展望风机叶片的长度不断增大，碳纤维的应用将越来越多19801985199019952

16、000200520102015sinoma五蔺而三、碳纤维在风电产业中的应用展望19801985199019952000200520102015sinoma五蔺而三、碳纤维在风电产业中的应用展望Figure 2-6. The development path and growth of wind turbiness5忑 £ JQoFeQooo:19801985199019952000200520102015sinoma中国五材三、碳纤维在风电行业中的应用展望sinoma中国五材三、碳纤维在风电行业中的应用展望风机叶片的长度不断增大，碳纤维的应用将越来越多sinoma中国五材三、碳纤维

17、在风电行业中的应用展望未来海上风电的发展对碳纤维的用量将不断增加2010年随着中国海上风电序幕的拉开，碳纤维在风机叶片领域的 技术研究将成为风电市场新的重头课题，这也为风电设备企业提供了新 的经济增长点，同时中国碳纤维产业也迎来了新的发展机遇。未来海上风电机组的额定功率将超过20MW、转子直径约200m,碳纤 维能够为海上风力发电提供更轻质、更抗拉力、更耐腐蚀的叶片和塔架材料。未来海上风力发电机组对碳纤维的需求量将大幅增加未来碳纤维在全球风电叶片领域的估测用量（单位为吨）sinoma中国五材三、碳纤维在风电行业中的应用展望未来碳纤维在风电领域的用量估测35CO30002500200C15001

18、0005000140%201201120122013201 12015市场规棋T増长率我国风电叶片领域碳纤维消费预测（单位为吨）碳纤维将使综合风力发电成本降低sinoma中国五材三、碳纤维在风电行业中的应用展望sinoma中国五材三、碳纤维在风电行业中的应用展望 The cost of wind energywmdturbinesandnstaKauon丫 I akWhlotal coster yearAnnual energy productionmean wind speed + site characteflsticsRotor diameter, hub i)ei0)taiK other physical characteristicssinoma中国五材三、碳纤维在风电行业中的应用展望/kWhCast of energypet Kwh(from N