碳纤维复合材料在风力发电中的应用.doc

碳纤维复合材料在风力发电中的应用摘要：为了降低风电单位成本风机功率不断提高随之叶片长度也不断增加使碳纤维在风电叶片中的应用成为必然。介绍了碳纤维在风电叶片上应用的优势和不足以及解决的技术途径。关键词：风电机叶片；风力发电；碳纤维增强复合材料ABSTRACT：Inordertoreduceper-unitwindpowercostturbinepoweriscontinuouslyrisingwhichleadtobiggerbladelengthsotheapplicationofcarbonfiberinwindturbinebladeisinevitable.Thispaperintroducestheadvantagesanddisadvantagesofcarbonfiberinwindturbinebladeandgivesthewaystosettlethem.KEYWORDS:windturbineblade;windpower;carbonfiberreinforcedcomposite1风力发电技术的发展风电的价格和风机功率成反比风机功率越大单位发电成本越低（表1）。随着现代风电技术的发展及日趋成熟风力发电机组研究沿着增大单机容量、减轻单位千瓦质量、提高转换效率的方向发展。上世纪80年代早期到中期典型的风电机组单机容量仅20～60kW；90年代初期增加到500kW；90年代中期为750kW~1MW；90年代末已达到2.5MW；目前世界平均单机容量为1MW最大单机容量为5MW。预计2010年将开发出单机容量为10MW的风电机组。叶片是风力机的关键部件之一涉及气动、复合材料结构、工艺等领域。叶片的长度和风机的功率成正比风机功率越大叶片越长。对于500kW~2.5MW的风力机叶片长13.5~39.0m（丹麦LMGlasfiber公司制造）；660kW~1.65MW的风力机叶片长23~39m（丹麦VestasWindSystemsAS制造）。在兆瓦级风电机组中如1MW的叶片长31m每片重约4~5t；1.5MW主力机型风力机叶片长34～37m每片重约6t；目前商业化风力发电所用的电机容量一般为1.5~2.0MW与之配套的复合材料叶片长度大约32~40m重6~8t；现代的54m大型叶片重l3t。现今世界上最大5MW的风力发电机的叶片长61.5m单片叶片的质量接近18t旋转直径可达126.3m。表1不同风叶尺寸、风机功率下的风电成本对比表年份主力型号风机功率/kW风叶长度/m风电成本/(美元·(kW·h)-1)199220012.00.03199970022.0200090025.00.0620051500-2500（陆基）35.0-45.00.0420053000-5000（海基）45.0-61.50.04叶片也是风机中成本最高的部件虽然它的质量不到风机质量的15%。却占风机成本的15%～20%。风叶类似于航空叶片要求提高“提升比”（Lift-to-dragratio）并且其提升特性不易受叶片表面污染和粗糙度影响。从结构考虑要求叶片有较厚的叶型。叶片要经受20a应用以经受风力造成的疲劳次数达108（也有以500万次作标准）作标准。随着风机功率的增加风叶尺寸也相应增加。表1所示为不同年份风机功率、风叶尺寸和风电价格的变化趋势[1-3]。2碳纤维在风力发电机叶片中的应用当叶片长度增加时质量的增加要快于能量的提取因为质量的增加和风叶长度的立方成正比（图1）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。减轻叶片的质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子叶片时采用性能更好的碳纤维复合材料势在必行。”他们认为当风力机超过3MW、叶片长度超过40m时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璃纤维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[4]。目前国外把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61.5m长、5MW风机的叶片在梁和根部都选用了碳纤维。（2）德国叶片制造商Nord