風(fēng)電葉片中的碳纖維

在21世紀(jì)的今天，人們開始對環(huán)境越來越重視，傳統(tǒng)的火力發(fā)電等等都會對環(huán)境產(chǎn)生污染，這就促使人們不斷開發(fā)新能源技術(shù)，這就帶動(dòng)了風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展。碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，具有強(qiáng)抗拉力和可加工性兩大特征。碳纖維拉伸強(qiáng)度一般都在3500MPa以上，是鋼的7-9倍，拉伸模量在200-700GPa，同樣高于鋼，而其密度只有鋼的1/4，比強(qiáng)度是鋼的20倍，所以碳纖維構(gòu)件制品具有強(qiáng)度高、重量輕、模量高、剛度大的特性，具有良好的可塑性。

碳纖維還具有良好的耐疲勞性、耐腐蝕性、X射線穿透性、導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性等優(yōu)越的性能。正因?yàn)橛猩鲜龅膬?yōu)點(diǎn)，碳纖維及其復(fù)合材料中有廣闊的應(yīng)用前景。葉片是風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵部件之一， 涉及氣動(dòng)、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、工藝等領(lǐng)域。 葉片的長度和風(fēng)機(jī)的功率成正比，風(fēng)機(jī)功率越大，葉片越長。葉片也是風(fēng)機(jī)中成本最高的部件，占風(fēng)機(jī)成本的20%甚至以上。

 風(fēng)葉類似于航空葉片， 要求提高 “提升比”( Lift-to-dragratio )，并且其提升特性不易受葉片表面污染和粗糙度影響。 而且葉片要經(jīng)受 20年的應(yīng)用，以經(jīng)受風(fēng)力造成的疲勞次數(shù)達(dá) 10的8次方(也有以 500 萬次作標(biāo)準(zhǔn))作標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)葉片長度增加時(shí)， 質(zhì)量的增加要快于能量的提取，因?yàn)橘|(zhì)量的增加和風(fēng)葉長度的立方成正比，而風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電能和風(fēng)葉長度的平方成正比。

同時(shí)隨著葉片長度的增加，對增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和剛度等性能提出了新的要求，玻璃纖維在大型復(fù)合材料葉片制造中逐漸顯現(xiàn)出性能方面的不足。為了保證在極端風(fēng)載下葉尖不碰塔架，葉片必須具有足夠的剛度。 減輕葉片的質(zhì)量，又要滿足強(qiáng)度與剛度要求，有效的辦法是采用碳纖維增強(qiáng)。中復(fù)集團(tuán)的陳虹，詳細(xì)研究過碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用后，不同長度葉片的輕量化效果和成本情況。

國外專家認(rèn)為：“由于現(xiàn)有材料不能很好滿足大功率風(fēng)力發(fā)電裝置的需求，玻璃纖維復(fù)合材料性能已經(jīng)趨于極限， 因此，在發(fā)展更大功率風(fēng)力發(fā)電裝置和更長轉(zhuǎn)子葉片時(shí)，采用性能更好的碳纖維復(fù)合材料勢在必行。”他們認(rèn)為當(dāng)風(fēng)力機(jī)超過3 MW、葉片長度超過40 m時(shí)，葉片制造時(shí)采用碳纖維已成為必要的選擇。 事實(shí)上，當(dāng)葉片超過一定尺寸后， 碳纖維葉片反而比玻璃纖維葉片便宜，因?yàn)椴牧嫌昧俊趧?dòng)力、運(yùn)輸和安裝成本等都下降了。

總結(jié)下來，碳纖維及復(fù)合材料在葉片中應(yīng)用，有以下的優(yōu)點(diǎn)。碳纖維復(fù)合材料用于風(fēng)機(jī)葉片的優(yōu)點(diǎn)1、重量輕：在滿足剛度和強(qiáng)度要求的條件下，比玻纖葉片輕20%以上—低負(fù)荷—更輕的變槳軸承、偏航系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)輪轂、塔筒—更易操作，運(yùn)輸及吊裝—減少組件大小、重量、成本2、擾度更小，機(jī)翼部分更薄:—機(jī)翼氣動(dòng)效率更高，提高風(fēng)能利用率和年發(fā)電量—動(dòng)力問題少—預(yù)彎少，垂懸部分小提高葉片抗疲勞性能，可制造低風(fēng)速葉片，可制造自適應(yīng)葉片，利用導(dǎo)電性能避免雷擊，具有振動(dòng)阻尼特性。碳纖維的應(yīng)用優(yōu)勢非常明顯，但早期一直沒能得到很好的推廣，主要是因?yàn)樘祭w維價(jià)格高、制品工藝復(fù)雜，收到極大的影響。

維斯塔斯開發(fā)出碳纖維拉擠工藝制作葉片大梁，開發(fā)成功后，開始大規(guī)模推廣，目前該公司兆瓦級以上風(fēng)機(jī)葉片都使用碳纖維復(fù)合材料，極大的推動(dòng)了碳纖維在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用，2016年全球碳纖維用量首次超過航空航天，成為碳纖維用量最大的領(lǐng)域，2017年風(fēng)電使用的碳纖維2萬4千多噸，維斯塔斯一家用量就在2萬噸左右。這個(gè)現(xiàn)象不僅引起其他風(fēng)電企業(yè)的重視，也為碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，特別是碳纖維在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了指導(dǎo)!未來的世界必將是高科技的社會，風(fēng)力發(fā)展也將是未來的發(fā)展趨勢，這就需要我們不斷學(xué)習(xí)，爭取提高風(fēng)力發(fā)電的效率。