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

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組；碳纖維；復(fù)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(fēng)電的發(fā)展

風(fēng)能是一種清潔的能源，人類(lèi)使用風(fēng)能的歷史很早，例如發(fā)明帆船利用風(fēng)能進(jìn)行水上航行，比較有名的就是荷蘭人利用風(fēng)能改造低洼地，因此風(fēng)車(chē)也成了荷蘭的象征。1888年，美國(guó)人查爾斯·布魯斯在克里夫蘭建成第一座可以發(fā)電的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。它高17米，使用了144個(gè)葉片，發(fā)電能力為12干瓦。1891年，丹麥物理學(xué)家Poul La Cour發(fā)現(xiàn)，葉片較少但旋轉(zhuǎn)較快的風(fēng)力發(fā)電機(jī)效率高于葉片多但轉(zhuǎn)速慢的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。應(yīng)用這一原理，他設(shè)計(jì)建造了一座使用4個(gè)葉片、發(fā)電能力為25干瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，這成為現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電的模本。隨著氣動(dòng)理論及相關(guān)技術(shù)發(fā)展，也促進(jìn)和推動(dòng)風(fēng)電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和理論的成熟，歐美的科學(xué)家對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究也進(jìn)一步深入。1941年，美國(guó)Smith公司建造了由工程師Putnam 設(shè)計(jì)的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)（Smith-Putnam風(fēng)機(jī)），這是世界上第一個(gè)MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，該風(fēng)機(jī)葉輪直徑53米，逆風(fēng)偏航設(shè)計(jì)，配有額定功率1.25MW同步發(fā)電機(jī)[1]。

上個(gè)世紀(jì)70年代，能源危機(jī)的發(fā)生進(jìn)一步促進(jìn)了風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。風(fēng)能作為清潔能源的一種，被廣泛接受，很多國(guó)家將其列為國(guó)家層面上的產(chǎn)業(yè)進(jìn)行推廣和扶持。進(jìn)入1980年代，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的商業(yè)化應(yīng)用逐漸展開(kāi)，并首先出現(xiàn)在北歐（這與該地區(qū)的其它能源相對(duì)缺乏有關(guān)，以丹麥為代表），同時(shí)各種不同概念的風(fēng)機(jī)相繼出現(xiàn)，出現(xiàn)了形式多樣的產(chǎn)品，隨著市場(chǎng)的應(yīng)用和競(jìng)爭(zhēng)，水平軸三葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)在競(jìng)爭(zhēng)中逐漸勝出，成為了商業(yè)應(yīng)用的主流，并涌現(xiàn)出維斯塔斯、西門(mén)子、通用等世界級(jí)的風(fēng)電巨頭[2]。

我國(guó)針對(duì)風(fēng)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(guó)第一個(gè)并網(wǎng)發(fā)電的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，此后風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。我國(guó)的風(fēng)能資源豐富，其中兩大風(fēng)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(fēng)能資源約3億兆瓦，加上海上資源約10億兆瓦。自上世紀(jì)九十年代，中國(guó)的風(fēng)電行業(yè)迅速崛起：不但涌現(xiàn)出像金風(fēng)科技、國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力、遠(yuǎn)景能源、明陽(yáng)科技等一批國(guó)際知名的風(fēng)電企業(yè)，而且最近幾年中國(guó)風(fēng)電的新增裝機(jī)容量一直穩(wěn)居全球首位。全球風(fēng)能理事會(huì)（GWEC）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：2017年全球市場(chǎng)新增容量超過(guò)52 GW， 全球累計(jì)容量達(dá)到539.6 GW。 2017年，中國(guó)新增裝機(jī)容量19.5GW，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到188 GW。目前中國(guó)總機(jī)容量占全球三分之一，新增裝機(jī)容量占全球約四成。中國(guó)已經(jīng)是名副其實(shí)的風(fēng)電大國(guó) [3-4] ！

二、風(fēng)電機(jī)組機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介

市場(chǎng)上通用的風(fēng)電機(jī)組如圖所示，由基座、塔筒、機(jī)倉(cāng)、葉片組成，其中：塔筒提升風(fēng)機(jī)高度，并可以作為傳輸線(xiàn)路的通道；機(jī)倉(cāng)內(nèi)有各種發(fā)電機(jī)組和其他控制設(shè)備；而葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，其設(shè)計(jì)、材料和工藝決定風(fēng)力發(fā)電裝置的性能和功率。

圖1、風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)

在風(fēng)電發(fā)展的100多年時(shí)間內(nèi)，葉片材料先后出現(xiàn)了木材、布、鋁合金等。但在發(fā)展過(guò)程中人們發(fā)現(xiàn)具有高比強(qiáng)度、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的復(fù)合材料成為商業(yè)級(jí)葉片的主體制造材料，而風(fēng)電領(lǐng)域也成為復(fù)合材料最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。風(fēng)電機(jī)葉片是一個(gè)復(fù)合材料制成的薄殼結(jié)構(gòu)，一般由葉片大梁、腹板、外蒙皮組成，復(fù)合材料在整個(gè)風(fēng)電葉片中的重量一般占到90 %以上。復(fù)合材料葉片最初采用的是廉價(jià)的玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯樹(shù)脂體系，直到今天這仍是大部分葉片采用的材料。但隨著風(fēng)機(jī)的功率的增加，葉片長(zhǎng)度的不斷增大，自身重量也不斷增加，在很多場(chǎng)合已不能滿(mǎn)足要求。在這種情況下，具備高強(qiáng)高模、低密度的碳纖維復(fù)合材料，成為了人們的重點(diǎn)考慮的對(duì)象。

圖2、風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)

目前碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)電葉片中已經(jīng)有較多的應(yīng)用，如葉片大梁、蒙皮等，其中以葉片大梁應(yīng)用最多。葉片的大梁類(lèi)似于人的嵴椎，支撐起整個(gè)葉片，隨著葉片越來(lái)越長(zhǎng)，玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足要求，必須要考慮使用性能更強(qiáng)的碳纖維復(fù)合材料。并且玻纖復(fù)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(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fù)合材料。

三、碳纖維及復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展及在風(fēng)電機(jī)組全生命周期的應(yīng)用和優(yōu)勢(shì)

圖3、風(fēng)力系統(tǒng)生命周期流程圖[5]

當(dāng)然對(duì)于上述的風(fēng)電系統(tǒng)的生命周期從原材料選材開(kāi)始，我們以選材為碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行敘述。我們從風(fēng)電機(jī)組本身出發(fā)，把上述風(fēng)電機(jī)組生命周期過(guò)程簡(jiǎn)單歸納為部件及整機(jī)制造、運(yùn)輸、風(fēng)場(chǎng)建造及安裝、運(yùn)維、報(bào)廢等有比較直接關(guān)系的五個(gè)方面（如圖4），并從這五個(gè)方面探討碳纖維及復(fù)合材料在風(fēng)電機(jī)組全生命周期的應(yīng)用。

圖4、風(fēng)電機(jī)組生命周期圖

1. 部件及整機(jī)制造

前文所述風(fēng)電機(jī)組的主要分為葉片、機(jī)倉(cāng)、塔筒三個(gè)部分，目前碳纖維及復(fù)合材料在風(fēng)電的應(yīng)用主要用于葉片，包括部分蒙皮、前緣、后緣等，目前碳纖維復(fù)合材料用的最多部分就是風(fēng)電葉片的主梁。

目前碳纖維主梁的工藝主要有三種：預(yù)浸料工藝、碳布灌注工藝和拉擠碳板工藝。

表1、碳纖維應(yīng)用在風(fēng)電領(lǐng)域的主要工藝

預(yù)浸料工藝制備碳纖維大梁，以手工方式鋪放，生產(chǎn)復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)件的理想工藝，工藝及設(shè)備也成熟， 勞動(dòng)環(huán)境比較差，效率低，成本很高，目前多在樣機(jī)中使用，無(wú)法滿(mǎn)足批量化使用的要求。碳布灌注工藝是目前多家風(fēng)機(jī)及葉片廠家使用的工藝，該工藝比較成熟，對(duì)模具要求不高，模具制作簡(jiǎn)單，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性高，重復(fù)性能好，制品表觀質(zhì)量好，相同鋪層厚度薄，強(qiáng)度高，但該工藝對(duì)碳布要求較高，且生產(chǎn)效率不高，成本也較高，制約了其推廣。拉擠工藝是復(fù)合材料工藝中效率最高、成本最低的，而且纖維含量高，質(zhì)量穩(wěn)定，連續(xù)成型易于自動(dòng)化，適合大批量生產(chǎn)。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(jiǎn)單，利用該工藝制作葉片的時(shí)間只有灌注工藝的一半，但對(duì)葉型設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)成功后，開(kāi)始大規(guī)模推廣，目前該公司兆瓦級(jí)以上風(fēng)機(jī)葉片都使用碳纖維復(fù)合材料，極大的推動(dòng)了碳纖維在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用，2016年全球碳纖維用量首次超過(guò)航空航天，成為碳纖維用量最大的領(lǐng)域，2017年風(fēng)電使用的碳纖維2萬(wàn)4千多噸，維斯塔斯一家用量就在2萬(wàn)噸左右。

而風(fēng)電機(jī)組的其他部位也有碳纖維大展身手的機(jī)會(huì)。2002年，美國(guó)風(fēng)塔系統(tǒng)公司開(kāi)展了一項(xiàng)美國(guó)能源部資助的多年研發(fā)項(xiàng)目，以對(duì)更輕、更高兆瓦級(jí)以上風(fēng)電機(jī)組塔筒進(jìn)行商業(yè)化。該公司后改名“風(fēng)塔復(fù)合材料公司（Wind Tower Composite），它開(kāi)發(fā)和測(cè)試了 80m 高的 1.5 MW風(fēng)電機(jī)組塔筒和零部件，這個(gè)最終被稱(chēng)為“空間框架”（Space Frame）的塔筒采用了碳纖維增強(qiáng)聚合物管進(jìn)行改造，與鋼制塔筒相比，重量降低了20 % ，生產(chǎn)成本降低了25 % 。通用電器也介紹了一種復(fù)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(jī)艙罩內(nèi)部放置風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主機(jī)，主機(jī)多數(shù)由主軸、齒輪箱、機(jī)艙底座等組成。目前機(jī)艙罩主要用玻璃鋼建造，隨著風(fēng)電機(jī)組的功率越來(lái)越大，其電機(jī)設(shè)備也會(huì)變大，機(jī)艙罩也會(huì)變得很大，這樣普通的玻璃鋼強(qiáng)度有可能不夠，可以利用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行加固。

2. 運(yùn)輸及安裝

我們有的時(shí)候在路上看到拖車(chē)?yán)L(zhǎng)長(zhǎng)的風(fēng)電葉片，會(huì)感到很震撼，因?yàn)橐话愕漠a(chǎn)品不會(huì)有這么大。隨著風(fēng)電功率的增加，葉片的長(zhǎng)度越來(lái)越長(zhǎng)，其運(yùn)輸、安裝的難度越來(lái)越大。

碳纖維復(fù)合材料用于葉片，將提高其輕量化效果，使其運(yùn)輸、吊裝、安裝等難度變小。此外，運(yùn)輸車(chē)輛及安裝設(shè)備本身也可以利用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行輕量化。

而且目前條件好的地區(qū)多已經(jīng)被占用，所以新建的風(fēng)電機(jī)組多處于山區(qū)或海上，需要進(jìn)行基礎(chǔ)建設(shè)，南京水利科學(xué)院和中南勘探設(shè)計(jì)院在某風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)中，利用預(yù)應(yīng)力拉擠板材對(duì)風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)承臺(tái)進(jìn)行加固，并取得了良好的效果。

此外，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用，使分段葉片連接處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大大下降。

3. 運(yùn)維

為了保證風(fēng)電機(jī)組的正常穩(wěn)定和有效運(yùn)行，并延長(zhǎng)使用壽命，對(duì)機(jī)組的檢查、維護(hù)等工作是必不可少的。

風(fēng)電機(jī)組是全年全天的運(yùn)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(dá)到零下數(shù)十度，將會(huì)造成葉片表面結(jié)冰。葉片結(jié)冰將會(huì)改變?nèi)~片的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)冰將使葉片重量增加，不僅改變發(fā)電效率還會(huì)危及風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行。另外，葉片運(yùn)行的線(xiàn)速度很快，碎冰飛出去容易傷人。另外結(jié)冰太厚，機(jī)組需要停機(jī)進(jìn)行除冰，將損失大量電能。而碳纖維除了輕量化，還有一個(gè)功能，就是在通電情況下，是良好的發(fā)熱體，熱轉(zhuǎn)換效率98%以上。所有利用風(fēng)電機(jī)組本身產(chǎn)生的電，碳纖維通電后發(fā)熱，融冰除雪，是一個(gè)很好的選擇。

葉片在運(yùn)行過(guò)程中，遠(yuǎn)觀看起來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)好像不是很快，實(shí)際上線(xiàn)速度最快可以達(dá)到數(shù)百公里以上，因此在迎風(fēng)面葉片會(huì)受到很大的沖擊。另外葉片都是在野外風(fēng)吹雨淋、熱脹冷縮，鹽霧腐蝕等都會(huì)造成葉片的損傷，當(dāng)損傷超過(guò)一定的大小，就會(huì)影響葉片的正常運(yùn)行，因此就要對(duì)葉片進(jìn)行檢查。傳統(tǒng)的方法是停機(jī)，對(duì)葉片進(jìn)行人工檢查。隨著機(jī)器人和無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展，可以利用碳纖維機(jī)器人和無(wú)人機(jī)對(duì)葉片展開(kāi)檢查。

風(fēng)電機(jī)組的使用壽命一般在20年左右，在這么長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)塔筒及礎(chǔ)臺(tái)等難免會(huì)損壞，特別海上或海邊的風(fēng)電機(jī)組。而這個(gè)方法可以參考橋梁等碳纖維加固方式，利用碳布或預(yù)應(yīng)力碳板的加固方案。

4. 報(bào)廢

當(dāng)葉片完成其功能后，就需要拆解、報(bào)廢，對(duì)于其中的碳纖維復(fù)合材料，如何回收利用，也是一個(gè)必須考慮的問(wèn)題。當(dāng)然，欄桿、裝飾用品等多種方式被考慮過(guò)，但是隨著報(bào)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(dǎo)的回收碳纖維項(xiàng)目就是針對(duì)類(lèi)似情況，她通過(guò)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(jié)

碳纖維目前四個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用最多，風(fēng)電、航空航天、汽車(chē)和體育用品，2016年風(fēng)電領(lǐng)域的用量首次超過(guò)航空航天成為首位，說(shuō)明碳纖維在風(fēng)電領(lǐng)域應(yīng)用前景非常廣泛，但目前碳纖維在風(fēng)電中的應(yīng)用主要集中在國(guó)外，國(guó)內(nèi)許多還存在一些技術(shù)瓶頸。目前國(guó)內(nèi)有光威復(fù)材和澳盛科技，通過(guò)技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電用碳纖維拉擠板材的批量化生產(chǎn)，為維斯塔斯提供產(chǎn)品。本文首次提出了碳纖維及復(fù)合材料在風(fēng)電機(jī)組全生命周期中的應(yīng)用，并促使國(guó)內(nèi)風(fēng)電企業(yè)的重視，并推動(dòng)碳纖維在國(guó)內(nèi)風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用。

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江蘇澳盛復(fù)合材料科技有限公司技術(shù)總監(jiān)，教育部工程教育認(rèn)證專(zhuān)家，中國(guó)塑料加工工業(yè)協(xié)會(huì)專(zhuān)家組成員，中國(guó)復(fù)合材料學(xué)會(huì)會(huì)員，江蘇復(fù)合材料學(xué)會(huì)常務(wù)理事，蘇州大學(xué)產(chǎn)業(yè)導(dǎo)師。多年從事纖維、粉體增強(qiáng)的高分子基復(fù)合材料的研發(fā)、生產(chǎn)的技術(shù)工作，開(kāi)發(fā)了多項(xiàng)產(chǎn)品投入市場(chǎng)，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益，在科學(xué)期刊發(fā)表論文20多篇，申請(qǐng)專(zhuān)利多項(xiàng)，其中20多項(xiàng)已經(jīng)授權(quán)。