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碳纤维风电叶片存在的缺陷及解决方法

时间: 2011-06-26 21:17 来源: 作者: 点击:
随着叶片长度的增加,对增强材料的强度和刚度等性能提出了新的要求,玻璃纤维在大型复合材料叶片制造中逐渐显现出性能方面的不足。为了保证在极端风载下叶尖不碰塔架,叶片必须具有足够的刚度。减轻叶片的重量,又要满足强度与刚度要求,有效的办法是采用碳纤维增强。尽管如此,碳纤维在应用中也存在诸多的问题和缺陷。

碳纤维应用的缺陷

(1)碳纤维是一种昂贵纤维材料,在碳纤维应用过程中,价格是主要障碍,另外,性价比影响了它在上的大范围应用。必须当叶片超过一定尺寸后,因为材料用量下降,才能比玻纤叶片便宜。目前采用碳纤维和玻璃纤维共混结构是一种比较好的办法,而且还综合了两种材料的性能。另外一种方法是采用从沥青制造的成本较低的碳纤维,这种碳纤维的价格可以降到5美元/磅的心理价位。

(2)CFRP比GFRP更具脆性,一般被认为更趋于疲劳,但是研究表明,只要注意生产质量的控制以及材料和结构的几何条件,就可足以保证长期的耐疲劳。

(3)直径较小的碳纤维表面积较大,复合材料成型加工浸润比较困难。由于碳纤维叫、片一般采川环氧树脂制造,要通过降低环氧树脂制造的熟度而不降低它的力学性能是比较困难的,这也是一些厂家采用预浸料工艺的原因。此外碳纤维复合材料的性能受工艺眼影响敏感(如铺层方向),对工艺要求较高。

(4)碳纤维复合材料透明性差,难以进行内部检查。

但碳纤维在大型叶片中的应用已成为一种不可改变的趋势。目前,全球各大叶片制造商正在从原材料、工艺技术、质量控制等各方面进行深入研究,以求降低成本,使碳纤维能在风力发电上得到更多的应用。可通过如下的途径来促进碳纤维在风力发电中的应用:

解决途径

1)叶片尺寸越大,相对成本越低。因此对于3MW(40m)以上,尤其是5MW以上的产品。目前大规模安装的2.5-3.5MW机组采用了轻质、高性能的玻璃纤维叶片,设计可靠,市场竞争力强,下一代5-10MW风力机的设计将更多的采用碳纤维。

2)采用特殊的织物混编技术。根据叶片结构要求,把碳纤维铺设在刚度和强度要求最高的方向,达到结构的最优化设计。如TPI公司采用碳纤维织物为800g 三轴向织物(triaxial fabric),由一层500g0°T-600碳纤维夹在两层150g成土45°的玻纤织物内。对于原型叶片中,碳纤维成20°,玻纤层的三轴向织物为土65°and-25°,这种方向的铺层可充分地控制剪切负载。旋转织物意味着织物边沿和叶片方向成20°角,逐步地引入旋转耦合部件(the twist-coupling component)。

3)采用大丝束碳纤维。碳纤生产成本高,特别是高性能的碳纤维生产成本生高,而叶片生产中,采用大丝束碳纤维可达到降低生产成本的目的。如一种新型丙烯酸碳纤维(美国专利 US6103211申请人:TORAY INDUSTRIES(JP))该发明的目的在于提供一种高强度的碳纤维,所述的碳纤维主要包括大量的满足下列关系式的细纤维:sigma>/=11.l~0.75d,其中的sigma指碳纤维抗张强度,d指细纤维的平均直径。这种碳纤维适用于风力机叶片材料等与能源相关的设备,或者作为道路、大桥的加强结构层。

4)采用新型成型加工技术,如VARTM和Light-RTM技术。

在目前的生产中,预浸料和真空辅助树脂传递模塑工艺已成为两种最常用替代湿法铺层技术;对于40m以上叶片,大多数制造商采用VARTM技术。但VESTAS和GAMESA仍使用预浸料工艺。技术关键是控制树脂粘度、流动性、注入孔设计和减少材料孔隙率。

在大型叶片制造中,由于碳纤维的使用,聚酯树脂已被环氧树脂来替代;利用天然纤维-热塑性树脂制造的“绿色叶片”近年来也倍受重视,如爱尔兰的Gnth公司负责制造12.6米长的热塑性复合材料叶片,Mitsubishi(三菱)公司负责在风力上进行“绿色叶片的试验”。如果试验成功后,他们将继续研究开发30米以上的热塑性复合材料标准叶片。(end)

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