摘要 目前碳纖維及其復合材料在風電上的應用已經越來越引起技術人員的重視，但目前人們的研究多集中于風機葉片和大梁。深圳碳纖維會議上筆者首次提出了從風電機組全生命周期的角度探索了碳纖維及復合材料在風電上的創(chuàng)新性應用，為科研人員提供了新的思路。

關鍵詞：風電機組；碳纖維；復合材料；生命周期

The Applications of Carbon Fiber and its Composites in Wind Turbines during the Whole Product Life Cycle

Abstract: Currently the applications of carbon fiber and its composites in wind turbines have attracted more and more attention to technical staff, but people's studies focus on wind turbine blades and the beam, In this paper from the angle of wind turbine lifecycle of exploration of carbon fiber and composite materials The innovative application of wind power provides new ideas for researchers.

Keywords: wind turbines; carbon fiber; composites; whole product life cycle

一、前言：風電的發(fā)展

風能是一種清潔的能源，人類使用風能的歷史很早，例如發(fā)明帆船利用風能進行水上航行，比較有名的就是荷蘭人利用風能改造低洼地，因此風車也成了荷蘭的象征。1888年，美國人查爾斯·布魯斯在克里夫蘭建成第一座可以發(fā)電的風力發(fā)電機。它高17米，使用了144個葉片，發(fā)電能力為12干瓦。1891年，丹麥物理學家Poul La Cour發(fā)現，葉片較少但旋轉較快的風力發(fā)電機效率高于葉片多但轉速慢的風力發(fā)電機。應用這一原理，他設計建造了一座使用4個葉片、發(fā)電能力為25干瓦的風力發(fā)電機，這成為現代風力發(fā)電的模本。隨著氣動理論及相關技術發(fā)展，也促進和推動風電技術的進一步發(fā)展和理論的成熟，歐美的科學家對風力發(fā)電機的研究也進一步深入。1941年，美國Smith公司建造了由工程師Putnam 設計的大型風力發(fā)電機（Smith-Putnam風機），這是世界上第一個MW級風力發(fā)電機，該風機葉輪直徑53米，逆風偏航設計，配有額定功率1.25MW同步發(fā)電機[1]。

上個世紀70年代，能源危機的發(fā)生進一步促進了風電產業(yè)的發(fā)展。風能作為清潔能源的一種，被廣泛接受，很多國家將其列為國家層面上的產業(yè)進行推廣和扶持。進入1980年代，大型風力發(fā)電機的商業(yè)化應用逐漸展開，并首先出現在北歐（這與該地區(qū)的其它能源相對缺乏有關，以丹麥為代表），同時各種不同概念的風機相繼出現，出現了形式多樣的產品，隨著市場的應用和競爭，水平軸三葉片風力發(fā)電機在競爭中逐漸勝出，成為了商業(yè)應用的主流，并涌現出維斯塔斯、西門子、通用等世界級的風電巨頭[2]。

我國針對風力發(fā)電課題的研究始于1950年代，1986年在山東榮成建成我國第一個并網發(fā)電的風力發(fā)電場，此后風電產業(yè)發(fā)展迅速。我國的風能資源豐富，其中兩大風帶，如“三北地區(qū)”（西北、華北、東北）以及沿海地區(qū)，陸地可利用風能資源約3億兆瓦，加上海上資源約10億兆瓦。自上世紀九十年代，中國的風電行業(yè)迅速崛起：不但涌現出像金風科技、國電聯合動力、遠景能源、明陽科技等一批國際知名的風電企業(yè)，而且最近幾年中國風電的新增裝機容量一直穩(wěn)居全球首位。全球風能理事會（GWEC）統計數據：2017年全球市場新增容量超過52 GW， 全球累計容量達到539.6 GW。 2017年，中國新增裝機容量19.5GW，累計裝機容量達到188 GW。目前中國總機容量占全球三分之一，新增裝機容量占全球約四成。中國已經是名副其實的風電大國 [3-4] ！

二、風電機組機構簡介

市場上通用的風電機組如圖所示，由基座、塔筒、機倉、葉片組成，其中：塔筒提升風機高度，并可以作為傳輸線路的通道；機倉內有各種發(fā)電機組和其他控制設備；而葉片是風力發(fā)電機組的關鍵部件之一，其設計、材料和工藝決定風力發(fā)電裝置的性能和功率。

圖1、風電機組結構

在風電發(fā)展的100多年時間內，葉片材料先后出現了木材、布、鋁合金等。但在發(fā)展過程中人們發(fā)現具有高比強度、可設計性強的復合材料成為商業(yè)級葉片的主體制造材料，而風電領域也成為復合材料最重要的應用領域之一。風電機葉片是一個復合材料制成的薄殼結構，一般由葉片大梁、腹板、外蒙皮組成，復合材料在整個風電葉片中的重量一般占到90 %以上。復合材料葉片最初采用的是廉價的玻璃纖維增強不飽和聚酯樹脂體系，直到今天這仍是大部分葉片采用的材料。但隨著風機的功率的增加，葉片長度的不斷增大，自身重量也不斷增加，在很多場合已不能滿足要求。在這種情況下，具備高強高模、低密度的碳纖維復合材料，成為了人們的重點考慮的對象。

圖2、風機葉片結構

目前碳纖維復合材料在風電葉片中已經有較多的應用，如葉片大梁、蒙皮等，其中以葉片大梁應用最多。葉片的大梁類似于人的嵴椎，支撐起整個葉片，隨著葉片越來越長，玻纖增強復合材料已經無法滿足要求，必須要考慮使用性能更強的碳纖維復合材料。并且玻纖復合材料比較重，自身就消耗較多的能量，發(fā)電效率不高，為了提升風力發(fā)電機的發(fā)電效能，人們也更多的考慮使用密度更低的碳纖維復合材料。

三、碳纖維及復合材料技術發(fā)展及在風電機組全生命周期的應用和優(yōu)勢

圖3、風力系統生命周期流程圖[5]

當然對于上述的風電系統的生命周期從原材料選材開始，我們以選材為碳纖維復合材料進行敘述。我們從風電機組本身出發(fā)，把上述風電機組生命周期過程簡單歸納為部件及整機制造、運輸、風場建造及安裝、運維、報廢等有比較直接關系的五個方面（如圖4），并從這五個方面探討碳纖維及復合材料在風電機組全生命周期的應用。

圖4、風電機組生命周期圖

1. 部件及整機制造

前文所述風電機組的主要分為葉片、機倉、塔筒三個部分，目前碳纖維及復合材料在風電的應用主要用于葉片，包括部分蒙皮、前緣、后緣等，目前碳纖維復合材料用的最多部分就是風電葉片的主梁。

目前碳纖維主梁的工藝主要有三種：預浸料工藝、碳布灌注工藝和拉擠碳板工藝。

表1、碳纖維應用在風電領域的主要工藝

預浸料工藝制備碳纖維大梁，以手工方式鋪放，生產復雜形狀結構件的理想工藝，工藝及設備也成熟， 勞動環(huán)境比較差，效率低，成本很高，目前多在樣機中使用，無法滿足批量化使用的要求。碳布灌注工藝是目前多家風機及葉片廠家使用的工藝，該工藝比較成熟，對模具要求不高，模具制作簡單，產品質量穩(wěn)定性高，重復性能好，制品表觀質量好，相同鋪層厚度薄，強度高，但該工藝對碳布要求較高，且生產效率不高，成本也較高，制約了其推廣。拉擠工藝是復合材料工藝中效率最高、成本最低的，而且纖維含量高，質量穩(wěn)定，連續(xù)成型易于自動化，適合大批量生產。利用碳纖維拉擠板材制備葉片大梁可以和葉片一起制作，鋪層工藝簡單，利用該工藝制作葉片的時間只有灌注工藝的一半，但對葉型設計有較高要求。利用該工藝制作葉片大梁是維斯塔斯的核心，該公司開發(fā)成功后，開始大規(guī)模推廣，目前該公司兆瓦級以上風機葉片都使用碳纖維復合材料，極大的推動了碳纖維在風電領域的應用，2016年全球碳纖維用量首次超過航空航天，成為碳纖維用量最大的領域，2017年風電使用的碳纖維2萬4千多噸，維斯塔斯一家用量就在2萬噸左右。

而風電機組的其他部位也有碳纖維大展身手的機會。2002年，美國風塔系統公司開展了一項美國能源部資助的多年研發(fā)項目，以對更輕、更高兆瓦級以上風電機組塔筒進行商業(yè)化。該公司后改名“風塔復合材料公司（Wind Tower Composite），它開發(fā)和測試了 80m 高的 1.5 MW風電機組塔筒和零部件，這個最終被稱為“空間框架”（Space Frame）的塔筒采用了碳纖維增強聚合物管進行改造，與鋼制塔筒相比，重量降低了20 % ，生產成本降低了25 % 。通用電器也介紹了一種復合材料塔筒及其制備方法，其制備方法是采用纏繞成本工藝。

機艙罩內部放置風力發(fā)電機的主機，主機多數由主軸、齒輪箱、機艙底座等組成。目前機艙罩主要用玻璃鋼建造，隨著風電機組的功率越來越大，其電機設備也會變大，機艙罩也會變得很大，這樣普通的玻璃鋼強度有可能不夠，可以利用碳纖維復合材料進行加固。

2. 運輸及安裝

我們有的時候在路上看到拖車拉著長長的風電葉片，會感到很震撼，因為一般的產品不會有這么大。隨著風電功率的增加，葉片的長度越來越長，其運輸、安裝的難度越來越大。

碳纖維復合材料用于葉片，將提高其輕量化效果，使其運輸、吊裝、安裝等難度變小。此外，運輸車輛及安裝設備本身也可以利用碳纖維復合材料進行輕量化。

而且目前條件好的地區(qū)多已經被占用，所以新建的風電機組多處于山區(qū)或海上，需要進行基礎建設，南京水利科學院和中南勘探設計院在某風電項目建設中，利用預應力拉擠板材對風電機組的基礎承臺進行加固，并取得了良好的效果。

此外，碳纖維復合材料的應用，使分段葉片連接處的結構設計難度大大下降。

3. 運維

為了保證風電機組的正常穩(wěn)定和有效運行，并延長使用壽命，對機組的檢查、維護等工作是必不可少的。

風電機組是全年全天的運行，有的地區(qū)夜晚溫差，而一年四季的氣溫差別更大，在冬季高寒地區(qū)的溫度達到零下數十度，將會造成葉片表面結冰。葉片結冰將會改變葉片的氣動結構，同時結冰將使葉片重量增加，不僅改變發(fā)電效率還會危及風電機組的安全運行。另外，葉片運行的線速度很快，碎冰飛出去容易傷人。另外結冰太厚，機組需要停機進行除冰，將損失大量電能。而碳纖維除了輕量化，還有一個功能，就是在通電情況下，是良好的發(fā)熱體，熱轉換效率98%以上。所有利用風電機組本身產生的電，碳纖維通電后發(fā)熱，融冰除雪，是一個很好的選擇。

葉片在運行過程中，遠觀看起來轉動好像不是很快，實際上線速度最快可以達到數百公里以上，因此在迎風面葉片會受到很大的沖擊。另外葉片都是在野外風吹雨淋、熱脹冷縮，鹽霧腐蝕等都會造成葉片的損傷，當損傷超過一定的大小，就會影響葉片的正常運行，因此就要對葉片進行檢查。傳統的方法是停機，對葉片進行人工檢查。隨著機器人和無人機技術發(fā)展，可以利用碳纖維機器人和無人機對葉片展開檢查。

風電機組的使用壽命一般在20年左右，在這么長的時間內塔筒及礎臺等難免會損壞，特別海上或海邊的風電機組。而這個方法可以參考橋梁等碳纖維加固方式，利用碳布或預應力碳板的加固方案。

4. 報廢

當葉片完成其功能后，就需要拆解、報廢，對于其中的碳纖維復合材料，如何回收利用，也是一個必須考慮的問題。當然，欄桿、裝飾用品等多種方式被考慮過，但是隨著報廢量的增大，徹底的解決方案必須考慮。目前上海交大的楊斌老師主導的回收碳纖維項目就是針對類似情況，她通過高溫裂解的方法回收碳纖維，可以回收其中有用的碳纖維。

四、總結

碳纖維目前四個領域應用最多，風電、航空航天、汽車和體育用品，2016年風電領域的用量首次超過航空航天成為首位，說明碳纖維在風電領域應用前景非常廣泛，但目前碳纖維在風電中的應用主要集中在國外，國內許多還存在一些技術瓶頸。目前國內有光威復材和澳盛科技，通過技術突破，實現了風電用碳纖維拉擠板材的批量化生產，為維斯塔斯提供產品。本文首次提出了碳纖維及復合材料在風電機組全生命周期中的應用，并促使國內風電企業(yè)的重視，并推動碳纖維在國內風電領域的應用。

參考文獻

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江蘇澳盛復合材料科技有限公司技術總監(jiān)，教育部工程教育認證專家，中國塑料加工工業(yè)協會專家組成員，中國復合材料學會會員，江蘇復合材料學會常務理事，蘇州大學產業(yè)導師。多年從事纖維、粉體增強的高分子基復合材料的研發(fā)、生產的技術工作，開發(fā)了多項產品投入市場，創(chuàng)造良好的經濟效益，在科學期刊發(fā)表論文20多篇，申請專利多項，其中20多項已經授權。