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大势所趋！风力发电机组叶片用纤维增强材料（FRP）的开发

发布时间：2023-09-19  浏览人数：人

近年来，海上风力发电为中心的风车叶片的大型化和提高风力发电机组的利用率是大势所趋。为此开展了以提高风力发电设备利用率为目的，实现成电叶片轻量化的技术研发。特别是，如何提高风电传动系统的可靠性和使用寿命是首要目标，所以结合树脂和成型方法的改进，开发叶片轻量化的技术。
01
高可靠性风电叶片材料的开发


在现在的风力发电机组中，叶片的大型化是提升单机容量的关键，也是提高发电效率的重要路径。随着风电系统的大型化，叶片也成比例地变长，但由于其重量与转子直径的成3次方比例地变重，所以对风电系统来说是很大的负担，有可能因发电效率降低或传动系统的负荷增加而导致故障增加。因此，要求将由玻璃纤维/环氧树脂组成的增强纤维复合材料（以下称为FRP）构成的叶片的机械强度维持为与现行产品相同，同时实现叶片的轻量化。为此，需要提高FRP的强度，但目前使用的FRP是玻璃纤维捻合而取向性低，尚达不到所期待的强度要求。


因此，通过使玻璃纤维在取向的状态下固化，开发出含有高强度且实现轻量化的高取向玻璃纤维树脂（高取向FRP）是主要目标（如图1）。


为了制造该高取向FRP，在保持张力的状态下用树脂进行固化，因此速固化技术成为关键，应用特殊光的固化技术和低温速固化技术，实现叶片的高强度化和轻量化目标。另外，通过开发上述树脂及成型方法，不是以往的劳动集约型的VaRTM成型，而是不依赖人力的自动化和机械化。

图1 高取向FRP的成型示意图



02
高信赖性风电叶片


2.1 高强度树脂的开发

在高强度树脂开发中，应用了具有的特殊光固化技术和低温速固化技术，开发了特殊改性环氧树脂材料PMX，其混合粘度、固化时间如表1所示，树脂物性如图2所示。

表1 树脂的代表特性（混合粘度、固化时间）


图2 树脂的物性


2.2 特殊光快速固化系统的开发
在PMX开发过程中，特别对特殊光的快速固化进行了研究。为了利用特殊光使FRP固化，如果仅加热表面，则会产生未固化部分，有可能无法保持玻璃纤维的取向性，因此从树脂内部加热并固化变得尤为重要。通过利用抑制对表面对流加热的特殊光，利用从PMX所具有的内部发热的特征，可以实现快速固化，其固化性的评估如图3所示。
图3 特殊光的固化性能评估


2.3 高取向FRP成形装置的成型研究

如上所述，高取向FRP成型装置是在对纤维施加张力的状态下，将浸渍树脂的纤维固化的装置，成型装置如图4所示。

图4 高取向FRP成型装置


在本装置中，将“玻璃纤维的开纤”、“纤维的取向”、“树脂浸渍”、“利用红外线的树脂固化”作为一个循环的成型过程，通过反复进行该工序并重叠层叠，能够自动化的完成成型。我们使用开发的速固化树脂PMX，利用高取向FRP成型装置开展成型研究。其结果，通过90ply的层叠，成功地制作了厚度为50mm的FRP（图5），FRP的纤维体积含有率Vf为约60%，得到不逊色与通过VaRTM成型的FRP。

图5 高取向FRP（90层叠层）
2.4 高取向FRP的物性
针对制作的高取向FRP实施各种静强度试验，其与标准FRP的结果比较如图6~图8所示。

图6 拉伸强度测试


图7 弯曲强度测试


图8 压缩强度测试


由图可知高取向FRP的拉伸、弯曲、压缩强度与标准FRP相比分别为1.4倍、2.2倍、2.4倍非常高的强度（如图6~8）。特别是关于弯曲强度，测量值约1800MPa，基本上与CFRP同等的强度（1600~200MPa）（如图7）。上述结果表明，纤维的高取向化对FRP的高强度化有很大贡献。另一方面，在本成型法中，由于包含层叠工序，有可能会影响层间剪切强度，但从图9可以看出，与标准FRP相比显示出非常高的值，层间密合性也没有受大的影响。
图9 层间剪切强度测试


由于风电系统的叶片等结构物承受连续疲劳负荷，因此抗疲劳特性也是FRP的重要因素。为了研究高取向FRP的抗疲劳特性，对产品进行了拉伸疲劳试验（图10）。其结果表明，与标准FRP相比，高取向FRP的S-N曲线平缓，而且在重复最大应力相同的情况下，直到断裂为止的重复次数也较大，因此具有优异的抗疲劳特性。

图10 疲劳强度试验


2.5 高强度化的因素

如上所述，高取向FRP与标准FRP相比，静强度和抗疲劳特性都显示出优良的特性。为了确定其原因，对试验片进行X射线CT扫描，调查高取向FRP的成型状态。
首先，将FRP成型物的纤维的取向程度标准FRP和高取向FRP进行比较（图11）。在标准FRP中，纤维以波浪起伏的状态成型，但在高取向FRP中，可以确认纤维相对笔直地取向。使用单向纤维布的FRP在拉伸方向上相对于纤维方向的角度越大，其强度越低。因此，通过在高取向FRP中消除在标准FRP中看到的纤维皱褶，可以提高强度。

图11 X射线观察的纤维取向


然后，对FRP成型物的截面进行观察，确认纤维的分散度（图12）。在标准FRP中，由于使用单向GF布料，所以观察到成纤维束的部分和仅树脂的部分。与此相反，在高取向FRP中纤维均匀地分散。在高取向成型工序中，为了发现纤维取向性，包含了纤维开纤工序，所以纤维得以均匀地分散。

图12 X射线观察的FRP断面


在高取向FRP中，由于纤维分散，施加在纤维上的负荷被均匀地分散，在丝束上承担负荷，从拉伸试验后的试验片破坏方式可以看出其强度变高（图13）。在标准FRP中，发生纤维束的破坏，而在高取向成型中，是每一根纤维发生了细小的破坏，这意味着在高取向FRP中，是整个丝束承受负荷。

图13 拉伸试验后的断裂的样子（左：标准FRP，右：高取向FRP）


尽管高取向FRP包括层叠工艺，但显示出高的层间剪切强度。在对实施层间剪切试验后的断裂试验片截面进行X射线扫描后发现，在标准FRP中，龟裂笔直地发生在层间并扩展直至破坏，与此相反，在高取向FRP中，看不到明确的层，龟裂是不规则地发展直至破坏（图14）。从以上的结果可知，在高取向FRP中，分层消失，所以层间剪切强度得到提高，但分层消失的原因目前尚不明确，需要进一步的研究。

图14 层间剪切试验后断面（X射线）


2.6 叶片轻量化模拟

本项目开发的高取向成形FRP对风力发电叶片的轻量化有多大贡献，对作为风力发电机叶片的横梁盖在实际应用时叶片轻量化进行了模拟。具体而言，以Vestas V661、750kW风车的33m叶片为对象，实施了通过减少横梁盖的厚度来优化层叠结构。为了优化，使用结构分析工具Co-Blade，在结构的限制条件（拉伸、压缩、剪切压曲强度）和翼端的挠曲以及叶片固有频率的限制条件下，改变叶片内部结构（结构部件的宽度厚度、形状），进行质量的最小化。结果表明，与使用标准FRP的情况相比，叶片重量从6.1t降低20%至4.9t（图15）。另外，以最优化得到的层叠结构、厚度为基础，构筑叶片的有限元模型，进行基于FEM的线性压曲分析，结果表明，与使用标准FRP的叶片相比，压曲强度是标准FRP的约3倍。从以上结果可知，高取向FRP对今后大型化的风力发电机叶片的轻量化有很大的贡献空间。

图15 最优化叶片重量


2.7 30kW风力发电机叶片的实地试验

为了实地验证上述模拟的结果，对30kW风电用叶片进行了实地验证。成型后叶片的参数如表2所示。

表2 30kW风力发电机用叶片
30kW风电叶片
叶片长度
约5m
重量
约54kg
固有频率
约6Hz

图16 30kW风力发电机组叶片（左：压力面和吸力面，右：涂装后叶片）

作为成形的叶片的耐久性评估，对风速50m/s时施加在叶片上的载荷进行FEM分析（图17），使用图18所示的装置对其算出的载荷实施静载荷试验。

图17 30kW风力发电机组叶片的有限元分析


图18 30kW风力发电机组叶片的静态负载试验模拟


在风速50m/s时的负荷下未观察到损伤，即使施加约3倍的负荷也未观察到叶片的损伤。得到了与3.6项所进行的模拟结果大致相同的结果，与以往的树脂材料制成的风车叶片相比，不仅增加了强度，而且实现了轻量化。

图19 实际试验的30kW风力发电机组


03
结束语


本研究开发了一种能够在高取向状态下成型纤维的装置，采用此装置可以得到比标准FRP强度高的高取向FRP。此外，通过将高取向FRP应用于MW级风力发电机组的叶片，可以实现叶片的20%轻量化、提高压曲强度。
04
参考文献


  • 藤田直博，森野一英，稻留将人，高可靠性叶片材料的开发，第37回风力能源利用合成，pp.307-310.（2015）
  • （株）ADEKA森野一英稻留将人藤田直博，（株）ー助宗刚木村学，高强度・速固化FRP用环氧树脂组合物的开发，第7回日本复合材料会议1D-11,1D-14.（2016）
  • （株ADEKA稻留将人，森野一英，藤田直博，（株）ーー乡家正义，助宗刚，荒金阳介，木村公，（株）风能研究所今村博，户冢义孝，风车叶片轻量化的FRP材料开发，第38回风能利用研讨会，p.363-366.（2016）



END

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