Лопасть длиной 143 м: платформа Mingyang 18 МВт и 15-18 тонн углеродного волокна на лопасть

Введение

Оффшорные ветрогенераторы продолжают расти, потому что более длинные лопасти охватывают большую площадь и захватывают больше энергии без пропорционального роста стоимости башни и силовой установки. Этот рост достиг точки, где лонжерон лопасти должен нести сжимающие нагрузки, которые стекловолокно самостоятельно уже не может эффективно поддерживать. На оффшорной платформе Mingyang мощностью 18 МВт лопасть длиной 143 метра использует, по оценкам, 15-18 тонн углеродного волокна на лопасть — цифра, отражающая и огромную конструкцию, и материал, который теперь требуется, чтобы сделать ее работоспособной.

В этой статье объясняется, почему лопасти длиной 143 метра нуждаются в углероде, сколько углеродного волокна такая лопасть фактически потребляет и что спрос означает для поставщиков углеродного волокна и экономики оффшорных ветровых проектов. Для производителей лопастей и покупателей понимание замены углеродом стекла необходимо для планирования поставок и затрат.

Почему лопасти растут и почему стекло достигает предела

Захват мощности лопасти растет примерно с квадратом радиуса ротора, поэтому машина мощностью 18 МВт с лопастью 143 метра на большом роторе охватывает значительно большую площадь, чем платформы меньшего размера. Но нагрузки на конструкцию лопасти растут с другой скоростью. Изгибающий момент у корня лопасти масштабируется с длиной лопасти в высокой степени, поэтому лонжерон, главный конструктивный элемент, сопротивляющийся изгибу, должен нести сжимающее напряжение, которое резко растет по мере удлинения лопастей:

Фактор	Лопасть из стекловолокна	Гибридная лопасть углерод-стекло	Влияние углерода
Модуль лонжерона	~40-80 ГПа	Смешанный, углерод в области 120-150 ГПа	Намного жестче кап для той же массы
Прочность на сжатие	Умеренная	Выше в углеродных зонах	Выдерживает больший изгиб корня
Масса лопасти	Очень тяжелая при 143 м	Легче, чем полностью стеклянная	Снижение гравитационных и кромочных нагрузок
Усталостная долговечность	Хорошая при умеренных нагрузках	Хорошая при экстремальных нагрузках	Выдерживает долгий оффшорный срок

На длине примерно 90-110 метров конструкция достигает точки, где полностью стеклянный лонжерон становится слишком тяжелым и слишком гибким. Диаметр лопасти, требуемая жесткость и требование к прочности на сжатие складываются так, что более тяжелая полностью стеклянная кап-зона добавляет столько массы, что гравитационные нагрузки и усталость по кромке загоняют конструкцию в убывающую отдачу. Более высокий модуль углерода позволяет лонжерону нести ту же изгибную нагрузку с гораздо меньшим количеством материала и массы, поэтому каждая сверхдлинная оффшорная лопасть теперь использует углерод в лонжероне.

Сколько углерода использует лопасть длиной 143 метра?

Лопасть длиной 143 метра — это большая конструкция. Платформа Mingyang потребляет, по оценкам, 15-18 тонн углеродного волокна на лопасть для лонжерона, преимущественно в однонаправленной углеродно-стеклянной гибридной выкладке. Чтобы сделать масштаб конкретным, рассмотрим следующее:

• Углерод на лопасть: Примерно 15-18 тонн углеродного волокна на лопасть, используемого в пултрудированном или пропитанном лонжероне на большей части длины лопасти.
• Спрос на турбину: Трехлопастный ротор мощностью 18 МВт несет примерно 45-54 тонны углеродного волокна только для лонжеронов.
• Годовой оффшорный аппетит: Аналитики оценивают, что только этот класс ветровых лопастей обеспечивает примерно 50 000 тонн годового спроса на углеродное волокно для оффшорных лопастей по мере масштабирования платформ 11-22 МВт.
• Драйвер прочности на сжатие: Лонжерон лопастей класса 11-22 МВт должен удовлетворять требованиям на сжатие, превышающим примерно 4 800 МПа в некоторых квалификационных целях, — уровню, которого стекло достичь не может.

Эти цифры показывают, почему ветроэнергетика стала крупнейшим единичным потребителем промышленного углеродного волокна. Один оффшорный ротор использует больше углеродного волокна, чем многие целые аэрокосмические программы, и объем, хотя и с меньшей маржой, дает масштаб, снижающий цену сырья для всех других применений, покупающих тот же жгут.

Материальные варианты: пултрудированные лонжероны и гибридные слои

Производители лопастей выбирают способ применения углерода, и этот выбор влияет на стоимость, качество и место фактического вклада углерода. Доминируют два подхода:

Подход	Как работает	Преимущество	Компромисс
Пултрудированный углеродный кап	Непрерывный углерод пултрудируется в широкую тонкую пластину и соединяется с оболочкой	Быстро, стабильно, высокая объемная доля волокна	Соединение требует контроля клеевого шва
Пропитанный гибридный слой	Углерод и стекло пропитываются вместе в выкладке капа	Монолит, нет клеевого соединения капа	Медленная пропитка, сложнее с волокном

Пултрудированный лонжерон стал мейнстримом, потому что он развязывает быструю укладку волокна и медленную пропитку оболочки. Углеродные и стеклянные пластины пултрудируются в высоком качестве с постоянной толщиной, затем соединяются или со-пропитываются в оболочку. Этот подход контролирует волнистость волокна, главного врага прочности на сжатие, и позволяет производителям масштабировать выпуск с более простой оснасткой. Компромисс — клеевое соединение, требующее строгого контроля клеевого процесса и неразрушающего контроля для гарантии структурной связи между капом и оболочкой.

Прочность на сжатие и вопрос 4 800 МПа

Единственное свойство, делающее углерод незаменимым в этих лопастях, — прочность на сжатие. Лонжерон при изгибе видит верхнюю поверхность на сжатии, и именно сжатие ограничивает практическую длину лопасти со стеклом. Квалификация лонжерона класса 11-22 МВт включает демонстрацию прочности на сжатие в области примерно 4 800 МПа, а в некоторых целях и выше, — уровня, достижимого только с высокомодульными слоями с низкой волнистостью:

• Прямизна волокна: Волнистость волокна напрямую снижает прочность композита на сжатие, поэтому пултрузия и строгий контроль процесса необходимы.
• Высокая объемная доля волокна: Достижение высоких значений на сжатие требует объемной доли волокна в середине 60-х процентов и жесткой хорошо отвержденной матрицы.
• Низкое содержание пустот: Пустоты действуют как концентраторы напряжений, запуская микровыпучивание и преждевременное разрушение при сжатии.
• Градирование: Многие конструкции градируют углерод и стекло вдоль размаха, используя полный углерод там, где нагрузки пиковые, и гибрид или стекло там, где нагрузки падают к законцовке.

Надежное выполнение требований на сжатие — это задача качества производства не меньше, чем материалов. Поставщики, которые держат прямизну волокна, управляют пропиткой и подтверждают содержание пустот, дают производителям лопастей уверенность сертифицировать лопасть 143 метра, тогда как нестабильное качество заставляет снижать характеристики или утяжелять конструкцию, стирая преимущество углерода.

Часто задаваемые вопросы

Почему лопасти длиной 143 метра нуждаются в углеродном волокне?

Лопасти длиннее примерно 90-110 метров достигают точки, где полностью стеклянный лонжерон становится слишком тяжелым и слишком гибким, чтобы эффективно нести изгибающий момент корня. Более высокий модуль углерода позволяет лонжерону нести ту же изгибную нагрузку с гораздо меньшим материалом и массой, снижая гравитационные и кромочные усталостные нагрузки, которые иначе загнали бы конструкцию в убывающую отдачу. Углерод также дает высокую прочность на сжатие там, где кап находится на сжатии при изгибе. На платформе Mingyang 18 МВт это делает лопасть 143 метра практичной с массой ниже, чем могла бы достичь полностью стеклянная конструкция.

Сколько углеродного волокна в лопасти длиной 143 метра?

Лопасть длиной 143 метра использует, по оценкам, 15-18 тонн углеродного волокна в лонжероне, поэтому трехлопастный ротор 18 МВт несет примерно 45-54 тонны. Аналитики оценивают, что этот класс сверхдлинных оффшорных лопастей обеспечивает около 50 000 тонн спроса на углеродное волокно в год по всему оффшорному парку по мере масштабирования платформ 11-22 МВт. Поскольку углерод сосредоточен в лонжероне, а не во всей лопасти, цифра 15-18 тонн отражает гибридную выкладку, в которой большая часть лопасти остается стеклянной, а сильно нагруженный кап — углеродным.

Какая прочность на сжатие нужна лонжерону современной сверхдлинной лопасти?

Лонжерон лопасти класса 11-22 МВт должен удовлетворять требованиям на сжатие в области примерно 4 800 МПа, а в некоторых квалификационных целях и выше. Это значение достижимо только с высокомодульными углеродными слоями при высокой объемной доле волокна, низком содержании пустот и очень низкой волнистости волокна. Пултрудированные лонжероны — предпочтительный маршрут, потому что пултрузия контролирует прямизну и стабильность волокна гораздо лучше, чем ручная или автоматизированная пропитка. Требование на сжатие — основная причина, по которой стекло, не достигающее этих значений, заменяется углеродом в капе самых длинных лопастей.

Какую роль углеродное волокно играет в экономике оффшорной ветроэнергетики?

Углеродное волокно в лонжероне делает платформу 18 МВт с лопастью 143 метра технически осуществимой и экономически привлекательной, потому что оно держит массу лопасти и гравитационные нагрузки достаточно низкими, чтобы больший ротор стоило строить. Компромисс — стоимость: оффшорный углерод и пултрузия или пропитка добавляют стоимость на лопасть, компенсируемую большей охваченной площадью и большим захватом энергии на машину. По мере роста объема углеродного волокна от ветроэнергетики она также снижает базовую цену материала для других применений, улучшая экономику всей цепочки. Покупатели взвешивают стоимость углерода на уровне лопасти против выхода энергии на мегаватт и экономии на башне и фундаменте.

Заключение

Сверхдлинные лопасти — двигатель продолжающегося снижения стоимости оффшорной ветроэнергетики, и углеродное волокно — материал, который делает их возможными. На платформе Mingyang 18 МВт 15-18 тонн углерода на лопасть длиной 143 метра отражают лонжерон, который должен нести сжимающие нагрузки за пределами стекла и держать массу лопасти достаточно низкой, чтобы ее стоило строить. Требование на сжатие, временами выше 4 800 МПа, удовлетворяется высокообъемными слоями с низкой волнистостью, все чаще поставляемыми пултрузией.

Результат — ветроэнергетика потребляет примерно 50 000 тонн углеродного волокна в год в оффшорных лопастях, что делает ее крупнейшим промышленным рынком материала и мощной силой снижения цен на волокно во всех применениях. Изучите наши углеродные материалы для ветроэнергетики, аэрокосмоса и промышленных конструкций или свяжитесь с нашей технической командой для обсуждения высокомодульных жгутов и закупок лонжеронов для вашей следующей программы.