碳纤维在风力发电机叶片中的应用

1. 在风机叶片中的应用

    当叶片长度增加时，重量的增加要快于能量的提取，因为重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。减轻叶片的重量，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，由于现有材料性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于叶片时，采用忏能更好的碳纤维复合材料是势在必行。根据国外有关资料报道，当风力机超过3MW、叶片长度超过40米时，在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纤叶片便宜，因为材料用量、劳动力、运输和安装成本等都下降了。

    国外碳纤维用于叶片制造的厂家主要有：

    （1）丹麦LM Glassfiber“未来”叶片家族中61.5米长、5MW风机的叶片在梁和端部都选用了碳纤维。

    （2）德国叶片制造商Nordex Rotor公司。

    （3）Vestas Wind System公司 在他们制造的44米长、V-90 3.0 MW风电机中的叶片的梁采用了碳纤维。2004年12月Zoltek Companies Inc．宣布与Vestas wind Systems AS公司订立长期战略合同，在前三年提供价值8千万到1亿美元的碳纤维用于制造风机叶片；Zoltek Companies公司宣布对NEG Micon的碳纤维合同将从每年150吨增加一倍。同时每年分别向Vestas和Ganesa各提供1000吨，所用牌号为Panex33 48K。

    （4）西班牙Gamesa在他们旋转直径为87米（G87）和90米（G90）2MW的风机的叶片中采用了碳纤维/环氧树脂预浸料，G90叶片长44米，质量约7吨。 

    （5）NEG Micon在40米的叶片中采用了碳纤维。

    （6）德国Enercon 公司在他们的大型叶片的制造中也使用了碳纤维。

    华盛顿的Kirkland公司收到美国能源部（U.S.Department of Energy ）的75万美元，作为研发资金，和TPI Composites公司合作，发展碳纤维风机叶片，以求得最大的能量获得，同时减轻风机的负载。方案通过对30-35m长叶片的设计，制造和测试以证明先进的碳纤维混编设计的商业可能性。

    碳纤维在风叶中的应用正在逐年增加。

    2. 碳纤维在风叶片中应用的主要部位

    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）。

    3. 碳纤维在风机叶片中应用的优势