刍议风力发电机叶片新材料—碳纤维

摘要：传统能源资源的大量使用带来了许多的环境问题和社会问题，并且其存储量大大降低，因而风能作为一种清洁可循环再生的能源，越来越受到世界各国的广泛关注。叶片是风力发电机中最基础和最关键的部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。本文主要分析了碳纤维在风力发电机叶片中的应用，以求降低成本。

关键词：风力发电机；叶片；碳纤维

Abstract: The extensive use of traditional energy resources bring environmental problems and many social problems, and its storage is greatly reduced, so the wind energy as a clean and renewable energy, more and more attention all over the world. The blade is the most basic wind turbines and components of the key, the good design, reliable quality and superior performance is to guarantee the normal and stable operation of unit determinant. This paper mainly analyzes the application of carbon fiber in the blade of the wind-driven generator, in order to reduce the cost.

Key words: wind turbine; blade; carbon fiber

中图分类号：TB857+.3

1.碳纤维在风机叶片中的应用叶片材料的发展经历了由木制、铝合金的应用，到进入了纤维复合材料时代。纤维材料比重轻，疲劳强度和机械性能好，能够承载恶劣环境条件和随机负荷，目前最普遍采用的是玻璃纤维增强聚酯（环氧）树脂。但随着大功率发电机组的发展，叶片长度不断增加，为了防止叶尖在极端风载下碰到塔架，就要求叶片具有更高的刚度。国外专家认为，玻璃纤维复合材料的性能已经趋于极限，不能满足大型叶片的要求，因此有效的办法是采用性能更佳的碳纤维复合材料。

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(Spar Caps)。(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)。

2. 碳纤维在风机叶片中应用的优势

2.1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%。Vesta Wind System公司的V90 3 MW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V80 2 MW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%。

2.2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。

2.3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，可提高能量的输出效率。

2.4可制造低风速叶片。碳纤维的应用可以减少负载和增加叶片长度，从而制造适合于低风速地区的大直径风叶，使风能成本下降。

2.5可制造自适应叶片。叶片装在发电机的轮上，叶片的角度可调。目前主动型调节风机(active utility-size wind turhines)的设计风速为13 to15m/sec(29 to 33mph)，当风速超过时，则调节风叶斜度来分散超过的风力，防止对风机的损害。斜度控制系统对逐步改变的风速是有效的。但对狂风的反应太慢了，自适应的各向异性叶片可帮助斜度控用系统(thepitch control system)，在突然的、瞬间的和局部的风速改变时保持电流的稳定。自适应叶片充分利用了纤维增强材料的特性，能产生非对称性和各向异性的材料，采用弯曲/扭曲叶片设计，使叶片在强风中旋转时可减少瞬时负载。

2.6利用导电性能避免雷击。利用碳纤维的导电性能，通过特殊的结构设计，可有效地避免雷击对叶片造成的损伤。

2.7降低风力机叶片的制造和运输成本。由于减少了材料的应用，所以纤维和树脂的应用都减少了，叶片变得轻巧，制造和运输成本都会下降。可缩小工厂的规模和运输设备。

2.8具有振动阻尼特性。碳纤维的振动阻尼特性可避免叶片自然频率与塔暂短频率间发生任何共振的可能性。

3.碳纤维应用的主要问题和解决途径

3.1碳纤维应用的缺陷：（1）碳纤维是一种昂贵纤维材料，在碳纤维应用过程中，价格是主要障碍，另外，性价比影响了它在风力发电上的大范围应用。必须当叶片超过一定尺寸后，因为材料用量下降，才能比玻纤叶片便宜。目前采用碳纤维和玻璃纤维共混结构是一种比较好的办法，而且还综合了两种材料的性能。另外一种方法是采用从沥青制造的成本较低的碳纤维，这种碳纤维的价格可以降到5美元/磅的心理价位。（2）CFRP比GFRP更具脆性，一般被认为更趋于疲劳，但是研究表明，只要注意生产质量的控制以及材料和结构的几何条件，就可足以保证长期的耐疲劳。（3）直径较小的碳纤维表面积较大，复合材料成型加工浸润比较困难。由于碳纤维叶片一般采川环氧树脂制造，要通过降低环氧树脂制造的熟度而不降低它的力学性能是比较困难的，这也是一些厂家采用预浸料工艺的原因。此外碳纤维复合材料的性能受工艺眼影响敏感(如铺层方向)，对工艺要求较高。（4）碳纤维复合材料透明性差，难以进行内部检查。但碳纤维在大型叶片中的应用已成为一种不可改变的趋势。目前，全球各大叶片制造商正在从原材料、工艺技术、质量控制等各方面进行深入研究，以求降低成本，使碳纤维能在风力发电上得到更多的应用。

3.2解决途径。可通过如下的途径来促进碳纤维在风力发电中的应用：（1）叶片尺寸越大，相对成本越低。因此对于3MW(40m)以上，尤其是5MW以上的产品。目前大规模安装的2.5-3.5MW机组采用了轻质、高性能的玻璃纤维叶片，设计可靠，市场竞争力强，下一代5-10MW风力机的设计将更多的采用碳纤维。（2）采用特殊的织物混编技术。根据叶片结构要求，把碳纤维铺设在刚度和强度要求最高的方向，达到结构的最优化设计。（3）采用大丝束碳纤维。碳纤生产成本高，特别是高性能的碳纤维生产成本生高，而叶片生产中，采用大丝束碳纤维可达到降低生产成本的目的。如一种新型丙烯酸碳纤维，该发明的目的在于提供一种高强度的碳纤维，所述的碳纤维主要包括大量的满足下列关系式的细纤维：sigma>/=11.l~0.75d，其中的sigma指碳纤维抗张强度，d指细纤维的平均直径。这种碳纤维适用于风力机叶片材料等与能源相关的设备，或者作为道路、大桥的加强结构层。（4）采用新型成型加工技术，如VARTM和Light-RTM技术。在目前的生产中，预浸料和真空辅助树脂传递模塑工艺已成为两种最常用替代湿法铺层技术；对于40m以上叶片，大多数制造商采用VARTM技术。但VESTAS和GAMESA仍使用预浸料工艺。技术关键是控制树脂粘度、流动性、注入孔设计和减少材料孔隙率。

在大型叶片制造中，碳纤维被推广使用使用，虽然碳纤维复合材料的性能大大优于玻璃纤维复合材料，但价格昂贵，影响了它在风力发电上的大范围应用。因此，全球各大复合材料公司正在从原材料、工艺技术、质量控制等各方面深入研究，以求降低成本。