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風(fēng)能產(chǎn)業(yè)從誕生之初，就不得不與其他形式的發(fā)電產(chǎn)業(yè)進(jìn)行競爭。風(fēng)能生產(chǎn)商不僅要面對(duì)這場(chǎng)電力市場(chǎng)戰(zhàn)爭，而且還要為爭奪風(fēng)能市場(chǎng)份額而展開戰(zhàn)爭。這兩場(chǎng)戰(zhàn)爭都?xì)w結(jié)為需要通過增加能量捕獲來提高風(fēng)能的經(jīng)濟(jì)性，這就促使陸上和海上系統(tǒng)的渦輪機(jī)和葉片尺寸迅速增加。

海上渦輪機(jī)正迅速從3MW發(fā)展到下一代額定功率為5MW或更大的渦輪機(jī)，在這種渦輪機(jī)上，陸上和海上系統(tǒng)的葉片長度通常超過45米/148英尺。隨著葉片的增長，葉片結(jié)構(gòu)從玻璃纖維轉(zhuǎn)換成更硬、更輕的碳纖維便開始有意義了，盡管后者的前期成本可能會(huì)更高。

碳纖維已經(jīng)成為渦輪機(jī)制造商Vestas Wind Systems A/S（丹麥奧胡斯）和Gamesa technology Corp.（西班牙比斯卡亞）的特色技術(shù)，這兩家公司幾年前都采用了碳纖維，在葉片的特定結(jié)構(gòu)部件中使用碳纖維，并在整個(gè)渦輪系統(tǒng)中利用了重量更輕的葉片。

較輕的葉片意味著可以不需要那么堅(jiān)固的渦輪和塔架組件，因此，級(jí)聯(lián)成本節(jié)約證明了碳纖維的額外成本是合理的。來自碳纖維制造商Zoltek Corp.（美國密蘇里州圣路易斯市）風(fēng)能執(zhí)行副總裁Philip L.Schell博士證實(shí)，Vestas和Gamesa通過使用碳纖維的設(shè)計(jì)了渦輪機(jī)，且整個(gè)系統(tǒng)的成本低于全玻璃纖維葉片的系統(tǒng)。

通過使用碳纖維，Vestas維斯塔斯可以在不增加重量的情況下增加5米的葉片長度。維斯塔斯V112-3MW渦輪機(jī)設(shè)計(jì)用于低風(fēng)速和中等風(fēng)速區(qū)域，并配有三個(gè)54.6米葉片，這些刀片的寬度與公司44米的刀片相同，但它們所覆蓋的區(qū)域要大55%，其結(jié)果是相當(dāng)高的能量輸出。

近期，通用電氣能源（GE Energy）也加入了這場(chǎng)競爭，在其下一代風(fēng)力機(jī)葉片（包括其1.6-100渦輪的48.7米葉片）中指定采用了碳纖維。值得注意的是，通用電氣可能會(huì)使用碳纖維來增加其1.6MW系統(tǒng)的葉片長度，這最終將推動(dòng)更多的風(fēng)能公司采用碳纖維。

風(fēng)電應(yīng)用中的碳纖維機(jī)遇

對(duì)現(xiàn)有的渦輪設(shè)計(jì)進(jìn)行改造，使其具有更長的葉片，并將其與碳纖維結(jié)合，已成為市場(chǎng)化的捷徑，因?yàn)樘祭w維的優(yōu)勢(shì)就在于它可以在不增加重量的情況下增加葉片長度。目前，碳纖維主要用于陸上和海上系統(tǒng)長45米以上的翼梁或結(jié)構(gòu)構(gòu)件。碳纖維較高的剛度和較低的密度允許更薄的葉片輪廓，同時(shí)產(chǎn)生更硬、更輕的葉片。據(jù)測(cè)算當(dāng)從全玻璃纖維葉片轉(zhuǎn)換為帶有碳纖維增強(qiáng)翼梁帽的葉片時(shí)，至少可以減輕20%的重量。海上風(fēng)電系統(tǒng)——最小的渦輪機(jī)額定功率為3MW——將特別受益于碳纖維的特性。

相關(guān)技術(shù)人指出，一個(gè)100米長的完全由玻璃纖維制成的葉片可能重達(dá)50噸（110231磅）。通過加入碳纖維來實(shí)現(xiàn)20%到30%的重量節(jié)省時(shí)，這就可以節(jié)省15噸（33069磅）的重量。在傳統(tǒng)的陸上葉片設(shè)計(jì)中，spar cap翼梁帽是最適合使用CF的區(qū)域，但也有公司在葉片根部使用混合玻璃纖維/碳纖維增強(qiáng)材料，如通過在后緣加入了碳纖維，可以調(diào)整葉片的一些固有頻率，因?yàn)樘祭w維可以在氣動(dòng)彈性剪裁中發(fā)揮作用。

風(fēng)電應(yīng)用中的碳纖維挑戰(zhàn)

但是，使用碳纖維代替玻璃纖維也會(huì)給加工帶來了新的挑戰(zhàn)。碳纖維具有較低的損傷容限，其抗壓強(qiáng)度受纖維排列的影響很大。此外，在真空灌注過程中，模塑機(jī)在實(shí)現(xiàn)纖維濕潤方面遇到了更大的困難。鑒于此，風(fēng)葉制造商傾向于使用更昂貴的預(yù)浸料產(chǎn)品。

近年來，碳纖維預(yù)浸料在纖維方向的抗壓強(qiáng)度方面有了顯著的改善，其中很多都來自于改進(jìn)的制造和預(yù)浸料工藝。然而，在纖維排列方面，仍需在這方面取得重大進(jìn)展。碳纖維需要完美的纖維排列，而且必須快速固化，即使是微小的偏差也會(huì)導(dǎo)致壓縮強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度顯著降低。

Hexcel公司開發(fā)的HexPly單向（UD）碳纖維預(yù)浸料具有專利的網(wǎng)格技術(shù)，可幫助在真空袋處理厚碳纖維UD層壓板時(shí)排除空氣，低空隙率通過確保碳纖維性能轉(zhuǎn)化為層壓板來提高機(jī)械性能。網(wǎng)格技術(shù)被納入該公司的HexPly M19G碳纖維UD預(yù)浸料，固化速度比Hexcel的標(biāo)準(zhǔn)固化產(chǎn)品快15%到20%，M19G固化所需能量較少，適用于葉殼、翼梁和葉根端部。

自動(dòng)鋪層也可以提高質(zhì)量。通常，翼梁帽可能需要45到50層預(yù)浸料，但隨著葉片尺寸的增長，結(jié)構(gòu)可能需要100層或更多層。因此，如果試圖在一個(gè)長36.6-61米、寬600毫米的翼梁帽工具中鋪設(shè)80層預(yù)浸料，這對(duì)任何人來說都是一個(gè)挑戰(zhàn)。這就是為什么Zoltek通過其子公司Entec復(fù)合材料機(jī)械公司提供了專門設(shè)計(jì)用于安裝在翼梁帽工具上的纖維對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)。機(jī)器會(huì)自動(dòng)將每層預(yù)浸料以適當(dāng)?shù)膹埩蛯?duì)齊方式正確放置到工具中。

此外，另一個(gè)需要改進(jìn)的領(lǐng)域是斷裂韌性。斷裂韌性主要與所使用的樹脂和樹脂/纖維的相互作用有關(guān)，但它對(duì)零件的疲勞壽命和層間的分層影響很大。

碳纖維的供需情況

由于這些尺寸日益增長的大型風(fēng)葉片所需的碳纖維數(shù)量巨大，因此葉片制造商在未來10年內(nèi)的碳纖維消耗量很有可能會(huì)超越航空航天制造商。復(fù)合材料預(yù)測(cè)與咨詢公司預(yù)測(cè)分析，2019年全球?qū)⑸a(chǎn)27000臺(tái)風(fēng)力渦輪機(jī)和82000個(gè)葉片，碳纖維將占每個(gè)葉片所有復(fù)合材料的6%。

GE公司計(jì)劃使用24K或更大絲束的標(biāo)準(zhǔn)模量碳纖維來加工1600個(gè)下一代48.7m 葉片的主要結(jié)構(gòu)。此外，據(jù)悉僅2012年，GE通用電氣能源預(yù)計(jì)消耗約3000噸碳纖維。GE和其他希望在葉片設(shè)計(jì)中添加碳纖維的公司擔(dān)憂是，隨著需求的增加，大絲束、標(biāo)準(zhǔn)模量碳纖維是否會(huì)有可靠的供應(yīng)？

有專家指出在碳纖維供應(yīng)、產(chǎn)能和價(jià)格方面的一致性無疑是該行業(yè)的一個(gè)擔(dān)憂，但未來將會(huì)有兩個(gè)碳纖維市場(chǎng)出現(xiàn)——一個(gè)專注于航空航天，另一個(gè)則專注于工業(yè)應(yīng)用。事實(shí)上，Zoltek已經(jīng)將所有的牌都投入到了工業(yè)領(lǐng)域，圍繞著不僅向風(fēng)能行業(yè)，而且向汽車行業(yè)提供標(biāo)準(zhǔn)模量的碳纖維產(chǎn)品（粗紗、預(yù)浸料和織物）來建立自己的業(yè)務(wù)。目前，Zoltek在全球風(fēng)力渦輪機(jī)葉片上提供了20000噸的碳纖維。

以往風(fēng)電葉片廠商擔(dān)心碳纖維會(huì)供應(yīng)不足，但似乎現(xiàn)在已經(jīng)不是一個(gè)問題了。Zoltek現(xiàn)在擁有超過13000噸（約2860萬磅）的工業(yè)級(jí)碳纖維產(chǎn)能，并計(jì)劃在未來五年“大幅”提高產(chǎn)能，主要擁有支持風(fēng)能產(chǎn)業(yè)。但值得關(guān)注的是，一旦航空航天、風(fēng)能以及海上業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，可以預(yù)期碳纖維的需求將大幅增長，供應(yīng)商是否會(huì)做好準(zhǔn)備值得商榷，尤其是對(duì)于飛機(jī)上使用的高質(zhì)量、高模量航空航天級(jí)碳纖維而言，這可能是一個(gè)更大的問題。

供應(yīng)問題和碳纖維價(jià)格昂貴，價(jià)格是E玻璃纖維的10至20倍，這可能會(huì)繼續(xù)使一些制造商在使用CF設(shè)計(jì)新葉片之前猶豫不決，因此有些公司為客戶設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)提出兩種葉片方案，它可以用碳纖維、也可以不用碳纖維來建造。

LM風(fēng)力發(fā)電公司（丹麥科爾?。┱趯ふ以诖笮腿~片中使用碳纖維的方法。該公司最近在法國沿海的一個(gè)6MW渦輪機(jī)上安裝了73.5米的玻璃纖維/聚酯葉片。然而，全球風(fēng)能市場(chǎng)的競爭是激烈的，尤其是在中國，幾十家公司都在爭奪世界領(lǐng)先的風(fēng)能市場(chǎng)。這些參與者將傾向于使用可以為其提供競爭優(yōu)勢(shì)的材料和流程，總之，下一代風(fēng)葉將使用越來越多的碳纖維。