隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，作為前景潛力巨大的可再生能源風能越來越受到世界各國的重視。而風電葉片是風能發(fā)電時需要應用的重要設備，隨著科技的不斷進步，風電葉片的尺寸越來越大，重量也不斷增加，材質(zhì)出現(xiàn)了較大的變化，設計人員在葉片設計中應用了碳纖維復合材料。

 

 

傳統(tǒng)的葉片多采用的是玻璃纖維，這種材質(zhì)的重量比較大，與復合材料相比，其性能存在較多的不足。在極端風載作用下，葉尖不能碰觸到塔架，葉片必須具有較強的剛度，在減輕葉片重量時，還要保證其剛度及強度不會出現(xiàn)降低。碳纖維復合材料是一種新型的材料，將其應用在風電葉片的制造中，可以很好的滿足風力發(fā)電裝置的大功率需求，其突破了玻璃纖維復合材料的性能極限，而且可以保證風電葉片在增加長度的同時，重量大大降低。

 

一、碳纖維復合材料在風電葉片中的應用優(yōu)勢

 

1、提高葉片剛度，減輕葉片質(zhì)量

 

CFRP的比強度約是GFRP的2倍，比模量約是GFRP的3倍。對于用于相同功率機組的風電葉片，碳纖維的使用可使葉片的重量大幅下降（如圖2）。如中材科技風電葉片股份有限公司開發(fā)成功的3MW級56mCFRP風電葉片，相比市場上同型號的全玻璃纖維風電葉片，每套葉片可減輕6t的質(zhì)量。

 

 

2、使風機的輸出功率更平滑更平衡，提高風能利用效率

 

使用碳纖維后，葉片質(zhì)量的降低和剛度的增加改善了葉片的空氣動力學性能，減少了對塔架和輪轂的負載，從而使風機的輸出功率更平滑更均衡，提高了風能利用效率。同時，碳纖維的輕質(zhì)高強特性可使葉片能夠設計成更薄更有效的結構形式，葉片更長，提高了能量的輸出效率。此外，在大型柔性風電葉片結構中如主梁帽和蒙皮中采用CFRP，可以實現(xiàn)葉片的彎扭耦合設計，在降低葉片的疲勞載荷的同時優(yōu)化效率輸出。

 

3、提高葉片對惡劣環(huán)境的適應性

 

風機長期在惡劣的自然條件下工作，濕度、疲勞、暴風雨和雷擊等因素都可能使風電葉片易于受損。CFRP不僅具有高的抗壓縮強度和優(yōu)良的耐疲勞特性，而且對酸堿鹽具有良好的耐腐蝕性，碳纖維的使用使葉片對惡劣環(huán)境的適應性提高。

 

4、降低風電葉片的制造和運輸成本

 

當葉片超過一定尺寸時，CFRP葉片反而比GFRP葉片便宜，因為材料用量、勞動力、運輸和安裝成本等都下降了。

 

二、碳纖維在風電葉片中的應用設計

 

由于碳纖維價格比較高，考慮到葉片的制造成本，碳纖維只應用到葉片的一些關鍵部位，在這些部件中，除了全碳纖維外，碳纖維多以碳纖維—玻璃纖維混雜的結構存在。

 

1、主梁帽

 

目前，碳纖維在風電葉片中最主要的應用部位是主梁帽，相對于GFRP主梁帽，CFRP主梁帽在提高葉片剛度的同時，大幅減輕了葉片的質(zhì)量，表1列出了國內(nèi)外各葉片制造廠商開發(fā)的CFRP風電葉片，可以看出，碳纖維在葉片中應用最多的部位是主梁帽。

 

2004年GEC（Global Energy Concepts）設計了一個用于3MW機組的長度約為50m風電葉片，葉片主梁帽總長度的50%由CFRP構成，另外50%長度由GFRP組成，相對于全GFRP風電葉片，葉片主梁帽的厚度約減少了一半，葉片質(zhì)量從9790kg減為8236Kg，質(zhì)量減輕了16%，葉根處的重力誘導彎矩減小了26%。在此結構中，全玻璃纖維到全碳纖維復合材料過渡區(qū)在剛度和應變等方面的匹配是需要解決的一個難題。

 

 

2、蒙皮表面

 

蒙皮表面整體使用碳纖維，可以降低作用在內(nèi)支撐梁上的受力和扭矩，通過設計可以實現(xiàn)“材料誘導式”的葉片受載彎扭耦合。據(jù)NEG麥康公司的專利報導，葉片在總長度的60%到85%部分用CFRP條帶加固葉片蒙皮橫截面外部圓周的一個薄層，該薄層可提高蒙皮抵抗拉力和壓力的能力。另有專利報導，葉片迎風面蒙皮采用GFRP制成，而只在主要承受壓縮載荷的背風面蒙皮采用碳纖維/玻璃纖維復合材料制成。

 

3、葉片根部

 

碳纖維應用于葉片根部時，不僅可以提高根部材料的斷裂強度和承載強度，使施加在螺栓上的動態(tài)載荷減少，還可以增加根部法蘭處的螺栓數(shù)量，從而增加葉片和輪轂連接處的靜態(tài)強度和疲勞強度。

 

4、葉片前后緣防雷系統(tǒng)

 

碳纖維用于葉片的前后緣，除了能提高葉片剛度和降低葉片質(zhì)量外，通過特殊的設計，還可以有效地避免雷擊對葉片的損傷。

 

5、靠近葉尖部分

 

據(jù)LM公司的專利報道，在靠近葉尖部分占整個葉片長度25%到50%的位置采用CFRP，而在靠近葉根的部分有GFRP制成，中間過渡區(qū)中CFRP逐漸由GFRP代替。由于靠近葉尖的部分采用GFRP，其質(zhì)量較小，靠近葉根部分可以使用較少的材料，減少了在風機輪轂上的負載。此外，剛度較大的葉尖部分可以減小由于葉片偏振太厲害以致葉片尖部擊打塔桿的危險。相對較硬的葉尖部分和相對較低剛度的葉根部分形成了一個有利的偏斜形狀，氣動阻尼增加，可以減少氣動載荷。同時，中間過渡區(qū)的存在避免了CFRP和GFRP之間剛度的突然變化導致的應力集中。

 

三、碳纖維在風電行業(yè)中應用前景

 

未來風電的發(fā)展對碳纖維的用量將不斷增加，尤其海上風電領域。海上風電機組的額定功率將超過20MW、轉(zhuǎn)子直徑約200m，碳纖維能夠為海上風力發(fā)電提供更輕質(zhì)、更抗拉力、更耐腐蝕的葉片和塔架材料。

 

 

海上風電塔架

 

 

碳纖維將使綜合風力發(fā)電成本降低。碳纖維的使用將使風力發(fā)電機組向輕質(zhì)、大型化發(fā)展，整體發(fā)電效率提高，且未來碳纖維在風電領域的規(guī)?；茝V應用以及逐步成熟的風力發(fā)電市場將促使風力發(fā)電機組相關制造廠商良性競爭，不斷進行技術革新，促進碳纖維復合材料的成型技術向低成本化方向發(fā)展。