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复合材料在海上风电中的应用介绍

   2023-11-13 玻纤技术信息29220
核心提示:复合材料在风电领域的规模化推广应用以及逐步成熟的风力发电市场将促使风力发电机组相关制造厂商良性竞争

随着各国政府对可再生能源的日益重视,风能发展的前景将越来越广阔,海上风电在未来的发展空间也越来越大。海洋环境下的腐蚀、高压、水底暗流流动带来的强剪切作用对材料的耐腐蚀性、强度和耐疲劳性能提出了严格的要求,复合材料自身有着优良的耐疲性能和抗蚀性能,使其在海洋领域的开发拓展中占有优势。复合材料技术的进步是推动风电机组大型化、低成本和轻量化的重要手段,如今复合材料在海上风电中发挥着不可替代的作用。

1.复合材料的介绍

1.1复合材料的定义

复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料,通过物理或化学的方法,在宏观上组成具有新性能的材料。其中各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于每种单一原组成材料,从而满足各种不同的要求。例如,单一的玻璃纤维,虽然强度很高,但是由于纤维间是松散的,所以它只能承受拉应力而不能承受弯曲、剪切和压应力,也不能做成固定的几何形状。如果把合成树脂和它们粘合在一起,就能做成各种具有固定形状的坚硬制品,既能承受拉应力,又可承受弯曲、剪切和压应力。

复合材料主要是由基体与增强材料组成,其中基体分为铝、镁、铜、钛及其合金的金属基体和合成树脂、橡胶、陶瓷、碳等非金属基体。增强材料则主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。增强材料一般需要有比基体材料高至少2~3倍的弹性模量,有比较高的拉伸强度,能较好地与基体材料结合。

基体与增强材料之间通过所形成界面的性质和强度来相互作用,其相互作用的方式、界面的性质对复合材料的力学性能有着非常重要的影响。界面粘接越牢固,复合材料的刚度和强度也就越强,横向和层间的拉伸强度和剪切强度以及弹性模量和剪切模量也越高。

复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按其结构特点又分为:①纤维增强复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。②夹层复合材料。由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄;芯材质轻、强度低,但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。③细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中,如弥散强化合金、金属陶瓷等。④混杂复合材料。由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比,其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高,并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内/层间混杂和超混杂复合材料。

1.2复合材料的优点

(1)比强度高、比模量大

比强度是强度与密度之比,比模量是模量与密度之比。这两个比值越高,说明在相同强度和刚度条件下,材料的质量越轻。

(2)抗疲劳性能好

疲劳破坏是指材料在交变载荷下,由于裂纹的产生和扩展导致的材料失效。一般情况下,金属材料的疲劳破坏是由金属内部向外逐渐发展形成的,事先往往无任何征兆,而纤维复合材料的疲劳破坏总是从材料最薄弱环节开始,再逐渐扩展,破坏前会有比较明显的征兆,而且纤维与基体的界面能有效阻止裂纹扩展,因此,复合材料在纤维方向受拉时的疲劳特性要比金属材料好得多。大多数金属材料的疲劳极限是其拉伸强度的30-50%,碳纤维复合材料则是70-80%,可见复合材料比金属材料有较高的耐疲劳特性。

(3)减振性能好

复合材料中的纤维与树脂基体界面有吸振能力,加上粘弹性和摩擦力使一部分动能转化为热能,纤维增强材料的阻尼比钢和铝合金大,故其振动阻力甚高,可避免共振而致的破坏。

(4)高温性能好

一般而言,复合材料由基体和增强材料组成,其高温性能都比基体材料的高温性能好。

(5)破坏安全性能好

纤维复合材料基体中有大量独立纤维,每平方厘米上的纤维少则几千根,多则上万根。在纤维增强复合材料中,当构件超载并有少量纤维断裂时,载荷会迅速重新分配在未破坏的纤维上,同时,已发生断裂的纤维同时也可以在一小段部分发挥作用。因而,在短期内不至于使整个构件丧失承载能力。

(6)成型工艺性能好

针对连续增强型复合材料,可用手糊法、缠绕成型法、拉拔成型法和模压成型法等制造工艺,从原理和设备上讲,制造工艺简单,没有大量的切割,原料损耗少,所用功率也不大,可制成形状复杂的部件,尤其适宜于制作相当大的整体结构部件

(7)优越的可设计性

可设计性能好是复合材料最优越的地方,这些可设计性主要表现在选择纤维的种类、铺层的方向、层数、层次和性能与体积的百分比等等。纤维增强型复合材料在微观上是一种“结构”模型,这种“结构”由数量庞大的纤维和基体组成,在纤维和基体材料定好以后,可以通过改变材料相关参数和几何参数的方法,来设计出各种具有不同性能的复合材料。

(8)热稳定性好

纤维增强复合材料对热的敏感度比较小,其机构部件就算在大幅度温度变化的环境中,仍然能保证较好的稳定性,其变形非常微小。同时,复合材料可以通过改变铺层相关参数,设计出线性膨胀系数接近为零的部件,较好的保证了复合材料部件的热稳定性能。

(9)耐化学腐蚀性好和电性能好

一般来说,基体树脂决定了复合材料的耐化学腐蚀性。在众多基体复合材料中,陶瓷基复合材料和聚合物基复合材料具有优越的抗腐蚀性。同时,复合材料绝缘性可达到甚高水平,但也可做成防静电或导体的。在高频下能保持是良好的介电性能。不受电磁作用,不反射电磁波,能透过微波。这些性能远非金属材料所能比拟。

2.复合材料在风电机组中的应用现状

近几十年来,复合材料飞速发展,极大地推动了科学技术的发展。从最初的宏观复合材料,如水泥与砂石、钢筋混合而成的混凝土,到随后新兴的微观复合材料,如聚合物基、金属基和无机非金属材料基复合材料,各种新型复合材料如雨后春笋般出现,广泛应用于航天航空、汽车、建筑等领域。

而随着风电产业的迅速发展,风电装备作为风电产业的核心,受到越来越广泛的重视,其质量和性能直接影响到风力机对风能的利用效率。由于对刚度的要求比较大,常规的风力机材料都采用钢材,但这使得风力机质量过于庞大,不便运输、吊装和维修。此外,风力发电机组的工作环境经常会遇到比较恶劣的气候条件,如低温、高温、台风、沙尘、盐雾、附冰等,极其容易受到环境的腐蚀和破坏,从而达不到预定的设计寿命。现在,随着复合材料技术的突飞猛进,新型复合材料在风力机零部件上的应用开始得到广泛的关注,尤其是在叶片、机舱罩导流罩、基础混凝土以及栓接连接件上的应用。各大世界著名的复合材料设备商竞相参与风能领域,为叶片、机舱罩和导流罩的制造商提供支持。复合材料风能产品生产制造已经成为复合材料行业非常重要的产业之一。

2.1叶片

叶片是风力发电机中的关键部件之一,是风电机组有效捕获风能的核心部件,占整个风力发电装置成本的20%左右。风机在工作过程中,叶片要承受强大的风载荷、砂石粒子冲击、紫外线照射等作用,因此必须对叶片体系进行精心设计和改进,使其能满足在恶劣环境下的正常运转要求。制造叶片的材料和工艺对其成本存在决定性作用,材料的选择和制备工艺优化对风力发电机的成本控制非常重要。叶片的捕风能力和效率与叶片的形状、尺寸、重量以及表面积有着十分密切的联系,而叶片的材料是限制叶片形状尺寸的重要因素,如果材料越轻、强度和刚度越高,叶片抵御外界载荷及自身重量的能力就越强,叶片就可以做得越大,捕风能力也就越强。因此,轻质量、高强度、高耐性的复合材料在大型风力发电机叶片的制造中得到了非常广泛的应用。

复合材料叶片的主要优点如下:(1)质量轻,强度高,刚度好,具有可设计性,可根据叶片受力特点设计强度与刚度,从而减轻叶片的质量;(2)冲击缺口敏感性低,内阻尼大,抗振性好,抗疲劳强度高;(3)耐候性好,可满足在酸、碱、水汽等各种气候环境下的使用要求;(4)维护方便,除了每隔若干年对叶片表面进行涂漆外,一般不需要大的维修。

目前世界上大多数的叶片都是采用玻璃钢复合材料制造。从前,我国只掌握了750kW以下的风机叶片的产业化生产能力,近几年,通过引进国外先进技术,国内己有多家具备1.5MW风机叶片产业化生产能力的企业。

复合材料可满足叶片变截面、曲率大和结构铺层渐变等特征要求,纤维增强复合材料已成为大叶片的唯一可选材料,这也使风电叶片成为世界上最大的复合材料单体部件。一般来说,材料选择在叶片结构设计定型时完成,但最新的叶片设计理念就是将材料前置,与气动、结构形成多目标一体化迭代,不断寻优叶片和主机匹配的最佳发电量、载荷与成本,目前陆上8.0MW以下叶片设计都是玻璃纤维为主的材料体系,而海上12MW以上叶片则须考虑应用碳纤维主梁进行设计。

风电叶片的典型结构如图1所示,其应用的原材料主要由增强纤维、树脂、芯材和结构胶等组成,叶片的主要成本构成如图2所示。

图1 典型风电叶片截面结构型式

图2 叶片成本占比情况

从图2中可以看出,原材料费用占叶片成本的75%,而在原材料成本中占比较大的主要是增强纤维、基体树脂、夹芯材料和结构胶,复合材料的增强纤维类别有很多,早期叶片上试用过天然的竹纤维,但由于性能偏低和供应不足问题不具备在大叶片批量应用的条件;玄武岩纤维近几年也是叶片应用研讨的热点,但因其密度大、成本高和产能有限,也不具备规模化应用的条件。

合理选择材料的基体和增强体,并充分考虑两者之间的相互作用,是风机叶片材料选择的关键。基体通常使用热塑性材料或热固性塑料,这些材料的强度和模量都比较低,但由于其拥有良好的弹塑性,因此可经受住较大的应变。增强体使用的纤维材料直径较小,一般在10m以下,缺陷相对较小,具有较强的刚性,但呈脆性,易受到腐蚀、损伤及产生断裂。因此,目前风电叶片主要应用的增强纤维还是玻璃纤维和碳纤维。

2.1.1 玻璃纤维

玻璃纤维是公认的优质风电叶片原材料,根据中国玻璃纤维协会的统计数据,风电用玻璃纤维占玻璃纤维总产能的20%~25%左右。叶片越长整体柔性变形就越大,控制叶尖挠度变形可以确保叶片与塔架之间具有足够的安全距离,否则很容易发生扫塔事故。玻璃纤维的拉伸模量是影响叶片变形的关键因素之一,因此其模量的增加对叶片刚度的提升意义重大。近10年玻璃纤维企业持续不断的进行技术创新,每一代玻璃纤维的模量都提升了10%左右,有力地促进了叶片大型化的发展。玻璃纤维在叶片的蒙皮、腹板和主梁上都有广泛的应用,不同部件采用的纤维布类型因承载需要而各有差异。虽然玻璃纤维经过近几十年的发展进步斐然,但对于适应更大更轻叶片需求,玻璃纤维性能提升的空间也越来越小,亟需新材料和新工艺等新技术来推动风电叶片的发展。

2.1.2碳纤维

传统的叶片多采用的是玻璃纤维,这种材质的重量比较大,与复合材料相比,其性能存在较多的不足。在极端风载作用下,叶尖不能碰触到塔架,叶片必须具有较强的刚度,在减轻叶片重量时,还要保证其刚度及强度不会出现降低。碳纤维复合材料是一种新型的材料,将其应用在风电叶片的制造中,可以很好的满足风力发电装置的大功率需求,其突破了玻璃纤维复合材料的性能极限,而且可以保证风电叶片在增加长度的同时,重量大大降低。

图3 玻璃纤维

图4 碳纤维

碳纤维复合材料在海洋风力发电中具有显著的优势:

(1)提高叶片刚度,减轻叶片质量。碳纤维复合材料叶片质量低,刚度大,碳纤维复合材料的比强度约是玻璃纤维的2倍,比模量约是玻璃纤维的3倍。对于用于相同功率机组的风电叶片,碳纤维的使用可使叶片的重量大幅下降。

(2)使风机的输出功率更平滑更平衡,提高风能利用效率。使用碳纤维后,叶片质量的降低和刚度的增加改善了叶片的空气动力学性能,减少了对塔架和轮载的负载,从而使风机的输出功率更平滑更均衡,提高了风能利用效率。同时,碳纤维的轻质高强特性可使叶片能够设计成更薄更有效的结构形式,叶片更长,提高了能量的输出效率。此外,在大型柔性风电叶片结构中如主梁帽和蒙皮中采用碳纤维复合材料,可以实现叶片的弯扭耦合设计,在降低叶片的疲劳载荷的同时优化效率输出。

(3)提高叶片对恶劣环境的适应性。风机长期在恶劣的自然条件下工作,湿度、疲劳、暴风雨和雷击等因素都可能使风电叶片易于受损。碳纤维材料不仅具有高的抗压缩强度和优良的耐疲劳特性,而且对酸碱盐具有良好的耐腐蚀性,碳纤维的使用使叶片对恶劣环境的适应性提高。

(4)降低风电叶片的制造和运输成本。当叶片超过一定尺寸时,碳纤维复合材料叶片反而比玻璃纤维复合材料叶片便宜,因为材料用量、劳动力、运输和安装成本等都下降了。

(5)利用碳纤维的导电性能,通过特殊的结构设计,可有效地避免雷击对叶片造成的损伤。

(6)降低风力机叶片的制造和运输成本,具有振动阻尼特性等。

随着叶片尺寸的增加,其重量也越来越大,全玻璃纤维叶片无法满足机组大型化和轻量化的要求,碳纤维已经成为实现超大型叶片轻质高强要求的理想选择材料。对于海上大叶片来说,通常会在其承载的关键部位主梁上应用碳纤维以提高叶片刚度和强度,以减少传递到主机和塔底的载荷,进而优化整机系统造价来降低度电成本。应用碳纤维主梁设计的叶片一般比全玻璃纤维叶片减重20%~30%,虽然碳纤维叶片成本上升,但其带来的传动链上相关部件及塔筒的优化减重,使风电机组的整体成本降低10%以上。由于碳纤维价格比较高,考虑到叶片的制造成本,碳纤维只应用到叶片的一些关键部位在这些部件中,除了全碳纤维外,碳纤维多以碳纤维一玻璃纤维混杂的结构存在。

(1)主梁帽:碳纤维复合材料在风电叶片中最重要的应用部位就是主梁帽,碳纤维主梁帽大幅减轻了叶片的重量,是目前风力发电机中最为常用的一种。2004年GEC设计了一个用于3MW机组的风力叶片,长度约为50m,叶片主梁帽中50%由碳纤维复合材料制成,另外50%由玻璃纤维复合材料制成,相比于全玻璃纤维的叶片,该款叶片的重量从9790kg下降到8236kg,减轻了16%,叶根处的重力诱导弯矩减少了26%。

(2)蒙皮表面:碳纤维复合材料还可以使用在蒙皮表面上,减少作用在支撑梁上的受力和扭矩,采用良好的结构设计可以实现“材料诱导式”的叶片受载弯扭耦合。据NEG麦康公司的专利报导,叶片在总长度的60%到85%部分用碳纤维复合材料条带加固叶片蒙皮横截面外部圆周的一个薄层,可明显提高蒙皮抵抗拉力和压力的能力。

(3)叶片根部:碳纤维复合材料使用在叶片根部时,可以增加根部材料的承载强度和断裂强度,促使施加在螺栓上的动态载荷减少,同时增加根部法兰处的螺栓数量,从而增加叶片和轮毂连接处的静态强度和疲劳强度。

(4)叶片前后缘防雷系统:碳纤维复合材料使用于风机叶片的前后缘,不仅可以提高叶片刚度、降低叶片质量,利用特殊设计还可以具备避雷效果,降低自然雷电对叶片的损伤。

(5)靠近叶尖部分:据LM公司的专利报道,在靠近叶尖部分占整个叶片长度25%到50%的位置采用碳纤维复合材料,而在靠近叶根的部分有玻璃纤维复合材料制成,中间过渡区中碳纤维复合材料逐渐由玻璃纤维复合材料代替。由于靠近叶尖的部分采用玻璃纤维复合材料,其质量较小,靠近叶根部分可以使用较少的材料,减少了在风机轮毅上的负载。此外,刚度较大的叶尖部分可以减小由于叶片偏振太厉害以致叶片尖部击打塔杆的危险。相对较硬的叶尖部分和相对较低刚度的叶根部分形成了一个有利的偏斜形状,气动阻尼增加,可以减少气动载荷。同时,中间过渡区的存在避免了碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料之间刚度的突然变化导致的应力集中。

未来风电的发展对碳纤维的用量将不断增加,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。

2.2导流罩

风力发电机导流罩是指风机轮毂的外保护罩,由于在风机迎风状态下,气流会依照导流罩的流线型均匀分流,故称导流罩。也称为轮毂罩、轮毂帽等。轮毂罩的结构一般分为整体型导流罩、分体型导流罩两大类。常见的分体型导流罩是由3个1/3罩体部件和一个罩头部件用机械连接的方法拼合而成。分体型导流罩的优点是:模具简单,操作相对容易,拼装灵活。整体型导流罩必须在组合模具中一次整体成型出来,对模具的要求较高,对工艺的操作要求也较高,所以并不常见。

导流罩是保护轮毂和内部传动系统和变桨系统的壳体结构,其流线型的结构对风有着良好的导向作用,可以在一定程度上减少紊流风的形成,使叶片能够更加高效地利风能。因为导流罩的主要作用是保护而非传递载荷,而且安装在轮毂前端,在降低它的自身重量的同时,保证足够的抗压抗变形能力,通常需要用轻型复合材料制作。绝大部分风机的导流罩是玻璃钢材料制作,多采用真空导入模塑(VARTM)、Light RTM、手糊成型的方法成型制造。也有非玻璃钢材质的风力发电机导流罩,如碳纤维复合材料导流罩、铝合金导流罩等,欧洲的风机制造商选用的较多,其他国家和地区的风力发电机并不常见。

图5 碳纤维复合材料风力发电机导流罩模型

2.3机舱罩

机舱罩是一种大型壳体结构,其配套零件多,且造型复杂。以MW级风电机组机舱罩为例,其外形尺寸为长7-10m,宽3-4m,高4m。这样的尺寸进行整体.成型制造比较困难,故需要将机舱罩划分成多块壳体结构单独成型,再进行组装。在组装时,先将关键零部件安装在主机架上,再将机舱罩主壳体挂在主机架上,最后将剩余壳体与主壳体通过螺栓联接整合。

图6 风电机组机舱罩

机舱罩的主要作用是保护发电机、传动系统、控制系统等关键零部件。同时,考虑到机舱罩工作环境恶劣,机舱罩需要有耐候性、抗温差性、抗疲劳性、抗老化性、抗腐蚀性、抗紫外线辐射等。又考虑到机舱罩的主要作用是保护内部零部件而非传递载荷,并且安装在塔筒顶部,其所受载荷主要是自重和风载等部.分外部载荷,需要对其质量进行严格控制,不仅要求机舱罩重量轻、强度高、承载能力大,还要求其经济安全、安装便捷。综合.上述考虑,由于比重小,比强度和比模量大,防锈防腐蚀等优点,复合材料就成了风机机舱罩的最佳选材。

风电机组机舱罩采用的是玻璃钢,其密度介于1.5~2之间,仅为铝合金的60%,并且玻璃钢可以具有整体成形,这样就大大节省了不同零部件之间连接时使用的铆钉、螺桂等紧固件的数量,使机舱罩结构的质量减少20%左右。机舱罩主体采用玻璃钢夹层结构,夹芯以泡沫为主,如果某些区域需要打孔来安装附件,用密度较大、硬度较高的材料替代泡沫夹芯。机舱罩连接法兰和开口处强度要求比较高,采用全玻璃钢结构。机舱罩内部的纵、横加强筋是为了增加罩体的强度和刚度。

2.4基础混凝土

海上风电基础关键材料混凝土的综合性能尤其是防腐性能决定着机组的寿命及维护成本。海洋环境中大量的有害离子、涨潮退潮及海浪冲洗导致混凝土处于强烈的腐蚀环境。大温差导致混凝土处于冻融循环而易出现剥落现象,降低风机基础的承载能力及使用寿命。因此,提高海上风电基础混凝土的综合性能以提高结构耐久性是海上风电面临的重大问题。

2.5栓接连接件

海上风电恶劣的腐蚀环境及复杂的载荷环境对风机基础锚杆组件、风电叶片螺栓组件、混塔连接件等栓接连接件提出了更高的性能要求,常规金属栓接连接件因有限的防腐性能而应用受到限制。具有质轻高强、耐腐蚀、抗疲劳、电气绝缘等显著优势的高性能纤维复合材料栓接连接件在海上风电扮演着越来越重要的角色。现有高性能复合材料栓接连接件多为小规格(一般M20以下),通常利用高性能纤维增强热塑性树脂基复合材料及连续纤维增强陶瓷基复合材料等材料体系经过热拉挤成型、对模成型、机械加工、模压成型、缠绕成型、三维编制、注塑成型和拉挤-缠绕成型等方式制备。复合材料栓接连接件的某些力学性能(如抗拉强度等)达到了常规金属栓接连接件的性能要求,并有望突破尺寸及性能瓶颈。

结语

复合材料因具有质轻高强、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强和易加工成型等优点在海上风电中具有广阔应用空间及应用前景,复合材料已成功应用于海上风电叶片、风机导流罩、机舱罩、基础混凝土、栓接连接件等方面。复合材料的使用将使风力发电机组向轻质、大型化发展,整体发电效率提高,且随着风电技术的不断发展、风机容量不断增大及新材料广泛应用,风机设计生产迎来了更大的空间,海上风电复合材料市场前景广阔。复合材料在风电领域的规模化推广应用以及逐步成熟的风力发电市场将促使风力发电机组相关制造厂商良性竞争,不断进行技术革新,促进复合材料的成型技术向低成本化方向发展。

 
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