从风电机组的全生命周期研究碳纤维在风电的应用更有意义

有研究工作者运用生命周期分析方法,对风力发电系统的六个阶段进行分析，具体如下：

图1、风力系统生命周期流程图[5]

当然对于上述的风电系统的生命周期从原材料选材开始，我们以选材为碳纤维复合材料进行叙述。我们从风电机组本身出发，把上述风电机组生命周期过程简单归纳为部件及整机制造、运输、风场建造及安装、运维、报废等有比较直接关系的五个方面（如图4），并从这五个方面探讨碳纤维及复合材料在风电机组全生命周期的应用。

图2、风电机组生命周期图及碳纤维在不同时期应用

1.    部件及整机制造

前文所述风电机组的主要分为叶片、机仓、塔筒三个部分，目前碳纤维及复合材料在风电的应用主要用于叶片，包括部分蒙皮、前缘、后缘等，目前碳纤维复合材料用的最多部分就是风电叶片的主梁。

目前碳纤维主梁的工艺主要有三种：预浸料工艺、碳布灌注工艺和拉挤碳板工艺。

表1、碳纤维应用在风电领域的主要工艺

预浸料工艺制备碳纤维大梁，以手工方式铺放，生产复杂形状结构件的理想工艺，工艺及设备也成熟，劳动环境比较差，效率低，成本很高，目前多在样机中使用，无法满足批量化使用的要求。碳布灌注工艺是目前多家风机及叶片厂家使用的工艺，该工艺比较成熟，对模具要求不高，模具制作简单，产品质量稳定性高，重复性能好，制品表观质量好，相同铺层厚度薄，强度高，但该工艺对碳布要求较高，且生产效率不高，成本也较高，制约了其推广。拉挤工艺是复合材料工艺中效率最高、成本最低的，而且纤维含量高，质量稳定，连续成型易于自动化，适合大批量生产。利用碳纤维拉挤板材制备叶片大梁可以和叶片一起制作，铺层工艺简单，利用该工艺制作叶片的时间只有灌注工艺的一半，但对叶型设计有较高要求。利用该工艺制作叶片大梁是维斯塔斯的核心，该公司开发成功后，开始大规模推广，目前该公司兆瓦级以上风机叶片都使用碳纤维复合材料，极大的推动了碳纤维在风电领域的应用，2016年全球碳纤维用量首次超过航空航天，成为碳纤维用量最大的领域，2017年风电使用的碳纤维2万4千多吨，维斯塔斯一家用量就在2万吨左右。

而风电机组的其他部位也有碳纤维大展身手的机会。2002年，美国风塔系统公司开展了一项美国能源部资助的多年研发项目，以对更轻、更高兆瓦级以上风电机组塔筒进行商业化。该公司后改名“风塔复合材料公司（Wind TowerComposite），它开发和测试了 80m 高的 1.5 MW风电机组塔筒和零部件，这个最终被称为“空间框架”（Space Frame）的塔筒采用了碳纤维增强聚合物管进行改造，与钢制塔筒相比，重量降低了20 % ，生产成本降低了25 % 。通用电器也介绍了一种复合材料塔筒及其制备方法，其制备方法是采用缠绕成本工艺。

机舱罩内部放置风力发电机的主机，主机多数由主轴、齿轮箱、机舱底座等组成。目前机舱罩主要用玻璃钢建造，随着风电机组的功率越来越大，其电机设备也会变大，机舱罩也会变得很大，这样普通的玻璃钢强度有可能不够，可以利用碳纤维复合材料进行加固。

2.      运输及安装

我们有的时候在路上看到拖车拉着长长的风电叶片，会感到很震撼，因为一般的产品不会有这么大。随着风电功率的增加，叶片的长度越来越长，其运输、安装的难度越来越大。

碳纤维复合材料用于叶片，将提高其轻量化效果，使其运输、吊装、安装等难度变小。此外，运输车辆及安装设备本身也可以利用碳纤维复合材料进行轻量化。

而且目前条件好的地区多已经被占用，所以新建的风电机组多处于山区或海上，需要进行基础建设，南京水利科学院和中南勘探设计院在某风电项目建设中，利用预应力拉挤板材对风电机组的基础承台进行加固，并取得了良好的效果。

此外，碳纤维复合材料的应用，使分段叶片连接处的结构设计难度大大下降。

3.      运维

为了保证风电机组的正常稳定和有效运行，并延长使用寿命，对机组的检查、维护等工作是必不可少的。

风电机组是全年全天的运行，有的地区夜晚温差，而一年四季的气温差别更大，在冬季高寒地区的温度达到零下数十度，将会造成叶片表面结冰。叶片结冰将会改变叶片的气动结构，同时结冰将使叶片重量增加，不仅改变发电效率还会危及风电机组的安全运行。另外，叶片运行的线速度很快，碎冰飞出去容易伤人。另外结冰太厚，机组需要停机进行除冰，将损失大量电能。而碳纤维除了轻量化，还有一个功能，就是在通电情况下，是良好的发热体，热转换效率98%以上。所有利用风电机组本身产生的电，碳纤维通电后发热，融冰除雪，是一个很好的选择。

叶片在运行过程中，远观看起来转动好像不是很快，实际上线速度最快可以达到数百公里以上，因此在迎风面叶片会受到很大的冲击。另外叶片都是在野外风吹雨淋、热胀冷缩，盐雾腐蚀等都会造成叶片的损伤，当损伤超过一定的大小，就会影响叶片的正常运行，因此就要对叶片进行检查。传统的方法是停机，对叶片进行人工检查。随着机器人和无人机技术发展，可以利用碳纤维机器人和无人机对叶片展开检查。

风电机组的使用寿命一般在20年左右，在这么长的时间内塔筒及础台等难免会损坏，特别海上或海边的风电机组。而这个方法可以参考桥梁等碳纤维加固方式，利用碳布或预应力碳板的加固方案。

4.     报废

   当叶片完成其功能后，就需要拆解、报废，对于其中的碳纤维复合材料，如何回收利用，也是一个必须考虑的问题。当然，栏杆、装饰用品等多种方式被考虑过，但是随着报废量的增大，彻底的解决方案必须考虑。目前上海交大的杨斌老师主导的回收碳纤维项目就是针对类似情况，她通过高温裂解的方法回收碳纤维，可以回收其中有用的碳纤维。

总结

当然目前还有疑问，碳纤维用在风电上会不会太贵？而从风电机组的生命周期来看，碳纤维的应用将会更有优势。因为叶片轻了，相应配套的设施如传动设备没有必要做的大，塔筒也可以做小一些，同时运输、安装也变得更容易了，而且更小的风可以推动叶片，而且叶片本身消耗的能量也少可以发更多的点...因此如果综合考虑，将会意义更大。碳纤维目前四个领域应用最多，风电、航空航天、汽车和体育用品，2016年风电领域的用量首次超过航空航天成为首位，说明碳纤维在风电领域应用前景非常广泛，但目前碳纤维在风电中的应用主要集中在国外，国内许多还存在一些技术瓶颈。目前国内有光威复材和澳盛科技，通过技术突破，实现了风电用碳纤维拉挤板材的批量化生产，为维斯塔斯提供产品。