风电叶片中的碳纤维

在21世纪的今天，人们开始对环境越来越重视，传统的火力发电等等都会对环境产生污染，这就促使人们不断开发新能源技术，这就带动了风力发电的发展。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，具有强抗拉力和可加工性两大特征。碳纤维拉伸强度一般都在3500MPa以上，是钢的7-9倍，拉伸模量在200-700GPa，同样高于钢，而其密度只有钢的1/4，比强度是钢的20倍，所以碳纤维构件制品具有强度高、重量轻、模量高、刚度大的特性，具有良好的可塑性。

碳纤维还具有良好的耐疲劳性、耐腐蚀性、X射线穿透性、导电性及导热性等优越的性能。正因为有上述的优点，碳纤维及其复合材料中有广阔的应用前景。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。叶片也是风机中成本最高的部件，占风机成本的20%甚至以上。

 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。 而且叶片要经受 20年的应用，以经受风力造成的疲劳次数达 10的8次方(也有以 500 万次作标准)作标准。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，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。中复集团的陈虹，详细研究过碳纤维复合材料应用后，不同长度叶片的轻量化效果和成本情况。

国外专家认为：“由于现有材料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3 MW、叶片长度超过40 m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。

总结下来，碳纤维及复合材料在叶片中应用，有以下的优点。碳纤维复合材料用于风机叶片的优点1、重量轻：在满足刚度和强度要求的条件下，比玻纤叶片轻20%以上—低负荷—更轻的变桨轴承、偏航系统、风机轮毂、塔筒—更易操作，运输及吊装—减少组件大小、重量、成本2、扰度更小，机翼部分更薄:—机翼气动效率更高，提高风能利用率和年发电量—动力问题少—预弯少，垂悬部分小提高叶片抗疲劳性能，可制造低风速叶片，可制造自适应叶片，利用导电性能避免雷击，具有振动阻尼特性。碳纤维的应用优势非常明显，但早期一直没能得到很好的推广，主要是因为碳纤维价格高、制品工艺复杂，收到极大的影响。

维斯塔斯开发出碳纤维拉挤工艺制作叶片大梁，开发成功后，开始大规模推广，目前该公司兆瓦级以上风机叶片都使用碳纤维复合材料，极大的推动了碳纤维在风电领域的应用，2016年全球碳纤维用量首次超过航空航天，成为碳纤维用量最大的领域，2017年风电使用的碳纤维2万4千多吨，维斯塔斯一家用量就在2万吨左右。这个现象不仅引起其他风电企业的重视，也为碳纤维产业的发展，特别是碳纤维在工业领域的应用提供了指导!未来的世界必将是高科技的社会，风力发展也将是未来的发展趋势，这就需要我们不断学习，争取提高风力发电的效率。