張可可 施劉生 唐許 趙清新 郎鳴華 嚴(yán)兵

1 風(fēng)電的發(fā)展

風(fēng)能是一種清潔的能源，人類使用風(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，以及比較有名的荷蘭人利用風(fēng)能改造低洼地的例子，而風(fēng)車因此也成了荷蘭的象征。最早的工業(yè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)由美國人查爾斯·布魯斯在1888年發(fā)明，該風(fēng)機(jī)僅高17m，有144個(gè)葉片，發(fā)電能力僅為12kW。葉片多，發(fā)電強(qiáng)是人們自然而然的觀念。但丹麥物理學(xué)家保羅·拉·庫爾在1890年代證明，即使葉片少，但只要轉(zhuǎn)速快，風(fēng)機(jī)效率就高，應(yīng)用該原理，他制造了一個(gè)只有4個(gè)葉片，發(fā)電能力卻達(dá)25kW的風(fēng)機(jī)，這成為現(xiàn)代風(fēng)機(jī)的雛形。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)電的發(fā)展。1941年美國人Putnam設(shè)計(jì)制造的Smith—Putnam風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)葉輪的直徑53m，逆風(fēng)偏航設(shè)計(jì)，功率 1.25MW，是世界上第一個(gè)MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)[1]。

1970年代出現(xiàn)的能源危機(jī)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，很多國家將其列為國家層面上的產(chǎn)業(yè)進(jìn)行推廣和扶持。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，風(fēng)電首先從北歐等地逐漸開始商業(yè)化，同時(shí)出現(xiàn)了各種各樣不同概念的風(fēng)機(jī)，有垂直軸、水平軸，葉片有2～4個(gè)。但最終水平軸三葉片風(fēng)機(jī)，以其可靠的穩(wěn)定性、較高的發(fā)電效率，成為市場的主流，并涌現(xiàn)出維斯塔斯、西門子、通用等世界級(jí)的風(fēng)電巨頭[2]。

我國針對(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第一個(gè)并網(wǎng)發(fā)電的風(fēng)力發(fā)電場，此后風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。我國的風(fēng)能資源豐富，其中2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MW，加上海上資源約10億MW。自20世紀(jì)90年代，中國的風(fēng)電行業(yè)迅速崛起：不但涌現(xiàn)出像金風(fēng)科技、國電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)有限公司、遠(yuǎn)景能源科技有限公司、明陽科技股份有限公司等一批國際知名的風(fēng)電企業(yè)，而且最近幾年中國風(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)顯示：2018年全球市場新增容量超過49.7GW，全球累計(jì)容量達(dá)到589.3GW。2018年，中國新增裝機(jī)容量21GW，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到209GW。目前中國總機(jī)容量占全球1/3以上，新增裝機(jī)容量約占全球4成。中國已經(jīng)是名副其實(shí)的風(fēng)電大國[3，4]。

2 風(fēng)電機(jī)組機(jī)構(gòu)簡介

市場上通用的風(fēng)電機(jī)組如圖1所示，由基座、塔筒、機(jī)倉、葉片組成。其中：塔筒提升風(fēng)機(jī)高度，并可以作為傳輸線路的通道；機(jī)倉內(nèi)有發(fā)電設(shè)備及其他控制系統(tǒng)；葉片是接受風(fēng)資源的關(guān)鍵部位，其設(shè)計(jì)、材料和工藝決定著風(fēng)機(jī)的發(fā)電效率。

在風(fēng)電的發(fā)展歷史中，人們先后用木材、布、鋁合金等制造葉片。但后來人們發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，用于制造葉片，具有更強(qiáng)的優(yōu)勢。風(fēng)機(jī)葉片是一個(gè)薄殼結(jié)構(gòu)，由大梁、腹板、外蒙皮組成。復(fù)合材料在葉片中比例較大，占到90%以上，主要是樹脂基玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料，其中的樹脂基以不飽和聚酯樹脂為多，也有部分乙烯基樹脂或環(huán)氧樹脂。隨著風(fēng)機(jī)功率增加，葉片長度加長，由于玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料模量低、密度大，葉片的質(zhì)量越來越重。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，成為了設(shè)計(jì)人員重點(diǎn)考慮的對(duì)象。

目前碳纖維復(fù)合材料（CF）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（見圖2）。葉片的大梁類似于人的脊椎，支撐起整個(gè)葉片，隨著葉片越來越長，玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料已經(jīng)無法滿足要求，必須要考慮使用性能更強(qiáng)的碳纖維復(fù)合材料。玻纖復(fù)合材料比較重，自身消耗較多的能量，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。

3 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

有研究工作者運(yùn)用生命周期分析方法，對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的6個(gè)階段進(jìn)行分析，詳見圖3。

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始，以選材為碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行敘述。從風(fēng)電機(jī)組本身出發(fā)，把上述風(fēng)電機(jī)組生命周期過程簡單歸納為部件及整機(jī)制造、運(yùn)輸、風(fēng)場建造及安裝、運(yùn)維、報(bào)廢等有比較直接關(guān)系的5個(gè)方面（如圖4），并從這5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。

3.1 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、塔筒3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3種：預(yù)浸料工藝、碳布灌注工藝和拉擠碳板工藝（見表1）。

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，無法滿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，模具制作簡單、產(chǎn)品表面好、強(qiáng)度高、質(zhì)量穩(wěn)定，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、自動(dòng)化程度高，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，該公司開發(fā)成功后，得到快速發(fā)展，幾乎應(yīng)用于該公司所有的風(fēng)機(jī)葉片上，2018年僅僅該公司一家使用碳纖維就超過2萬t，極大地推動(dòng)了碳纖維在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用。

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)。例如塔筒，目前塔筒最主要以金屬為主。但科研工作者已經(jīng)著手研究利用復(fù)合材料制造塔筒。2002年美國風(fēng)塔系統(tǒng)公司（后改名“風(fēng)塔復(fù)合材料公司）開發(fā)了用于1.5MW風(fēng)電機(jī)組的80m高塔筒和零部件，該塔筒采用了碳纖維增強(qiáng)聚合物管制造，與金屬塔筒相比，質(zhì)量減輕了20%，生產(chǎn)成本降低了25%，具備較好的應(yīng)用前景。通用電器也介紹了一種復(fù)合材料塔筒及其制備方法，采用了纏繞工藝進(jìn)行生產(chǎn)。

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。

3.2 運(yùn)輸及安裝

隨著風(fēng)電功率的增加，葉片的長度越來越長，其運(yùn)輸、安裝的難度越來越大。

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。

3.3 運(yùn)維

為了保證風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，就要對(duì)機(jī)組進(jìn)行日常檢查、維護(hù)等工作。

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)冰將使葉片質(zhì)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)行過程中，遠(yuǎn)觀看起來轉(zhuǎn)動(dòng)好像不是很快，實(shí)際上線速度最快可以達(dá)到數(shù)百千米以上，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)器人和無人機(jī)技術(shù)發(fā)展，可以利用碳纖維機(jī)器人和無人機(jī)對(duì)葉片展開檢查。

風(fēng)電機(jī)組的使用壽命一般在20年左右，在這么長的時(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。

3.4 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)必須考慮的問題。當(dāng)然，欄桿、裝飾用品等多種方式被考慮過，但是隨著報(bào)廢量的增大，徹底的解決方案必須考慮。目前，上海交通大學(xué)的楊斌老師主導(dǎo)的回收碳纖維項(xiàng)目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。

4 總結(jié)

碳纖維目前在4個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用最多，即風(fēng)電、航空航天、汽車和體育用品。2016年碳纖維風(fēng)電領(lǐng)域的用量首次超過了在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，成為碳纖維應(yīng)用量最多的領(lǐng)域。目前碳纖維在風(fēng)電中的應(yīng)用主要集中在國外，國內(nèi)許多還存在一些技術(shù)瓶頸。筆者提出了碳纖維及復(fù)合材料在風(fēng)電機(jī)組全生命周期中的應(yīng)用，希望得到國內(nèi)風(fēng)電企業(yè)的重視，并推動(dòng)碳纖維在國內(nèi)風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用。

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