碳纤维在风力发电机叶片中的应用.doc

碳纤维在风力发电机叶片中的应用来源：中国风能产业网作者：时间：2010-07-10Tag：1.在风机叶片中的应用
当叶片长度增加时，重量的增加要快于能量的提取，因为重量的增加和风叶长度的立方成正比，而风机产生的电能和风叶长度的平方成正比。同时随着叶片长度的增加，对增强材料的强度和刚度等性能提出了新的要求，玻璃纤维在大型复合材料叶片制造中逐渐显现出性能方面的不足。为了保证在极端风载下叶尖不碰塔架，叶片必须具有足够的刚度。减轻叶片的重量，又要满足强度与刚度要求，有效的办法是采用碳纤维增强。国外专家认为，由于现有材料性不能很好满足大功率风力发电装置的需求，玻璃纤维复合材料性能已经趋于极限，因此，在发展更大功率风力发电装置和更长转于叶片时，采用忏能更好的碳纤维复合材料是势在必行。根据国外有关资料报道，当风力机超过3MW、叶片长度超过40米时，在叶片制造时采用碳纤维已成为必要的选择。事实上，当叶片超过一定尺寸后，碳纤维叶片反而比玻纤叶片便宜，因为材料用量、劳动力、运输和安装成本等都下降了。国外碳纤维用于叶片制造的厂家主要有：（1）丹麦LMGlassfiber“未来”叶片家族中61.5米长、5MW风机的叶片在梁和端部都选用了碳纤维。（2）德国叶片制造商NordexRotor公司。（3）VestasWindSystem公司在他们制造的44米长、V-903.0MW风电机中的叶片的梁采用了碳纤维。2004年12月ZoltekCompaniesInc．宣布与VestaswindSystemsAS公司订立长期战略合同，在前三年提供价值8千万到1亿美元的碳纤维用于制造风机叶片；ZoltekCompanies公司宣布对NEGMicon的碳纤维合同将从每年150吨增加一倍。同时每年分别向Vestas和Ganesa各提供1000吨，所用牌号为Panex3348K。（4）西班牙Gamesa在他们旋转直径为87米（G87）和90米（G90）2MW的风机的叶片中采用了碳纤维/环氧树脂预浸料，G90叶片长44米，质量约7吨。（5）NEGMicon在40米的叶片中采用了碳纤维。（6）德国Enercon公司在他们的大型叶片的制造中也使用了碳纤维。华盛顿的Kirkland公司收到美国能源部（U.S.DepartmentofEnergy）的75万美元，作为研发资金，和TPIComposites公司合作，发展碳纤维风机叶片，以求得最大的能量获得，同时减轻风机的负载。方案通过对30-35m长叶片的设计，制造和测试以证明先进的碳纤维混编设计的商业可能性。碳纤维在风叶中的应用正在逐年增加。
2.碳纤维在风叶片中应用的主要部位
由于碳纤维比玻纤昂贵，采用百分之百的碳纤维制造叶片从成本上来说是不合算的。目前国外碳纤维主要是和玻纤混和使用，碳纤维只是用到一些关键的部分。碳纤维在叶片中应用的主要部位有：（1）横梁（Spar），尤其是横梁盖（SparCaps）。（2）前后边缘，除了提高刚度和降低质量外，还起到避免雷击对叶片造成的损伤（专利US6457943BI）。（3）叶片的表面，采用具有高强度特性的碳纤维片材（日本专利JP2003214322）。
3.碳纤维在风机叶片中应用的优势
碳纤维的应用优势：（1）提高叶片刚度，减轻叶片重量碳纤维的密度比玻璃纤维小约30％，强度大40％，尤其是模量高3至8倍。大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。荷兰戴尔弗理工大学研究表明，一个旋转直径为120米的风机的叶片，由于梁的质量超过叶片总质量的一半，梁结构采用碳纤维，和采用全玻纤的相比，重量可减轻40％左右；碳纤维复合材料叶片刚度是玻璃纤维复合材料叶片的两倍。据分析，采用碳/玻混杂增强方案，叶片可减重20%～30％。VestaWindSystem公司的V903Mw发电机的叶片长44m，采用碳纤维代替玻璃纤维的构件，叶片质量与该公司V802MW发电机且为39米长的叶片质量相同。同样是34m长的叶片，采用玻璃纤维增强聚脂树脂时质量5800kg，采用玻璃纤维增强环氧树脂时质量5200kg，而采用碳纤维增强环氧树脂时质量只有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纤维所制得的风机叶片质量比玻璃纤维的轻约32％，而且成本下降约16％。（2）提高叶片抗疲劳性能风机总是处在条件恶劣的环境中，并且24小时的处于工作状态。这就使材料易于受到损害。相关研究表明，碳纤维合成材料具有出众的抗疲劳特性，当与树脂材料混合时，则成为了风力机适应恶劣气候条件的最佳材料之一。（3）使风机的输出功率更平滑更均衡，提高风能利用效率使用碳纤维后，叶片重量的降低和刚度的增加改善了叶片的空气动力学性能，减少对塔和轮轴的负载，从而使风机的输出功率更平滑和更均衡，提高能量效率。同时，碳纤维叶片更薄，外形设计更有效，叶片更细长，也提高了能量的输