碳纤维在风力发电机叶片中的应用

吕召涛

摘 要：碳纤维作为一种新型材料，有其余材料不及的优势所在，将碳纤维应用在风力发电机的叶片上，解决了风电叶片现存在的问题，满足了风电的大型化趋势，为风力发电技术的发展提供了更有利的条件。本文还简要分析了在风力发电机叶片中用碳纤维复合材料的优势和遇到的问题，提出了对应的方案。

关键词：碳纤维;风力发电;发电机叶片

1 碳纤维简述

碳纤维增强复合材料可简称为碳纤维，碳纤维最基本的构成单元是碳丝，碳丝可通过化学、机械方法转变为碳纤维织物，用于碳纤维制件。碳纤维增强复合材料制造的用品有很多类型，工艺不同则制成的产品不同。碳纤维复合材料结构性能稳定，具有耐腐蚀性，而且耐疲劳、耐高温，还可导热、导电，它的比强度和比模量较于其余材料都处于高水平，制作碳纤维的难度和要求都很高，碳纤维的需求量极大，价格昂贵。

2 碳纤维的应用

碳纤维材料被称为“21世纪材料之星”，它具有广泛的应用并不断发展，深受欢迎，诸多领域均有涉及到碳纤维。碳纤维的质量轻，很多体育器材，例如高尔夫球杆、自行车、皮划艇、网球拍等被希望有很轻的质量，赛车、摩托艇等运动器材也最好质量轻，碳纤维材料符合人们的要求，它的密度比其余材料小，比强度、比模量突出，结构稳定，耐疲劳强度高，破损安全性能好，热膨胀系数低，阻尼大，制作出的制品不仅质轻还坚、刚。

撑竿是一步步发展到用最好材质的，最初的山胡桃木，结实又重，弹性不够，储能差，无法很好地展现选手的优势，浪费了很多动能;于是，竹竿出现了，它质量轻又有弹性，对比木质竿是个好选择，但仍不能足够令人满意;尼龙撑竿、玻璃纤维竿先后被使用，如今，碳纤维撑竿拥有更好的性能，竿柔软却结实，且各部位的材质由撑竿受力差异性决定，目前来说令人满意，运动员助跑的部分动能转化为撑竿的弹性变形能，撑竿被压到最大限度时，这部分能量转化为势能，使运动员可借力腾空，飞越横杆。大型网球拍要求网线拉力强，使打球时不会变形，碳纤维的特点使其可满足网球拍的制造要求，制作出的网球拍能给运动员带来舒适感及运动快感。自行车中用到的碳纤维材料使车有好的刚性及减震性，且质量较轻，外观美丽。碳纤维材料的运用在一定程度上提高了体育科技水平，好的运动设施能更大限度展示运动员的优势，甚至突破其极限。

除了运动器材方面，碳纤维在军工、汽车工业、医疗、交通运输、能源装备、航空航天等领域均有运用。

3 风力发电的优缺点及发展

风力发电是一种新型发电手段，成本低、无污染，可减少资源的浪费，保护气候及环境，是很有开发潜力的可再生能源，因此，风力发电受到了越来越多的重视，众多政策相继出台，只为促进风力发电行业的发展。但风力发电也有很大的弊端，风具有间歇性且风力大小无法妥善控制，有时风大有时风小，有时有风有时无风，风力大多在夜间很大，白天风力相对小，早晚比中午的风力大，刚好与人类作息规律相反，风电发出的电无法直接使用，还需借助火电使用。目前，我国风力发电行业仍处于建设阶段，大型化是当前风电的主要发展趋势，如今风电技术逐步发展且正在走向成熟，对其的研究也越来越深入，针对风力发电的不足之处也分析了很多措施。

4 碳纤维在风机叶片中的运用

从前的风机叶片材料通常是木材，布料，金属等传统材料，但为了提高叶片性能，现在的风力机的设计中使用了许多新材料，碳纤维增强复合材料就属于其中一种新型复合材料。

基体、增强纤维组成了纤维增强复合材料。基体常用热塑性或热固性材料，材料的强度和模量都比较低，但其拥有好的粘弹性和弹塑性，并且有高的应变。纤维材料直径较小，通常小于10µm，缺陷较少，不易被腐蚀或损害。

想增强叶片的功率，必须增加叶片的长度，同时还增加了相同叶片的重量，叶片长度增加的时候，质量增加速度要快，超过提取能量的速度。由于风力机产生的电能与叶片的长度成正比，因此在这种情况下，选择叶片的材料对于获得更好的设计极其重要。传统的风力机通常使用玻璃纤维叶片，玻璃纤维的重量大，不足之处很多，性能已近乎达到极限。风力机叶片材料选择更趋向于重量低、性能好的碳纤维复合材料。

叶片刚度要强，以确保在极端风载时，叶片的叶尖接触不到塔架。在选择材料的时候要考虑重量、刚度、强度等多方面因素，采用碳纤维可增强性能，达到预取效果。碳纤维材料可以用于风力机的设计中，它比玻璃纤维的性能更好，且能满足风力发电机功率的高要求，符合风电机叶片的材料需求，且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。

将碳纤维复合材料用到风电叶片上，可以改善叶片的强度、刚度，使叶片的粘弹性和可塑性增加，并且更耐负载。碳纤维有质量轻，强度、刚度高的性能，能满足大型叶片开发对材料的要求。碳纤维材料用到叶片上，很好地发挥了它的优势。

5 碳纤维的应用部位

叶片的发展越来越向大型化靠近，单一的材料已经无法满足叶片的发展需求，选择复合材料已经成为必然趋势，复合材料由两种及以上材料合成，性能较单一材料有更好的改善，它的可设计性让单层方向上的强度和刚性均可达到预期，它的各向异性导致耦合的发生。将弯扭耦合运用到风电叶片上，此时叶片由于受到弯矩作用发生扭轉，进而控制其气弹变形，优化叶片的功率输出。碳纤维的价格昂贵让完全采用碳纤维制叶片显得奢侈而又不划算，所以碳纤维最好用在极需要它的重要部位。

横梁是风电叶片中最需要用到碳纤维的部位;叶片的表面全部需要用到碳纤维，以降低内支撑梁所受的压力;在叶片的前后边缘用上碳纤维，刚度提高、重量降低的同时还可防止叶片被雷击中受到损坏;叶片的根部同样是关键部位，使用碳纤维能提高其抗破损力，降低载荷。

碳纤维的昂贵注定它要用到最需要它的部位，既节省成本，又可以发挥其优势，对叶片起到有利作用。

6 在叶片中用碳纤维材料的好处

碳纤维材料本身具有很多优良性能，应用到叶片上，可以增强叶片的强度、刚度，降低叶片的重量，避免风电叶片过重给风力发电工作造成困扰，同时减小叶尖碰到塔的问题发生的概率。用传统材料制作风电叶片时有很多问题，风资源的浪费就是其中一个问题，刚度高的材料可以提高资源的利用率，显然，传统的材料并不具备这一特性，最终试验发现，碳纤维材料可以满足这一要求，风能利用率提高，风资源的浪费被减少，转化为更多电力，使能量输出功率更均衡，效率也得以提高。普通材料制成的叶片是有劣势的，环境也可以轻而易举影响到发电的质量以及效率，尤其是遇到恶劣天气，普通材料制成的叶片完全适应不了这样的环境，进而影响到发电效率，于是，碳纤维材料又派上了用场，它不容易被环境影响，并且具有优于普通材料的抗腐蚀性、抗疲劳性，天气变化并不会对其造成过多影响，发电效率也得到了保障。碳纤维被提到最多次的就是可以减重，可以提高刚度、强度，可以增加叶片的长度，制造大型叶片运用碳纤维可降低风能的成本。

7 应用碳纤维时遇到的问题及措施

碳纤维的价格昂贵是它的主要问题，直接影响了它在风力发电方面的大规模运用。显然，前面也稍许提到了解决方案，当叶片大型化后，使用碳纤维材料比较实惠，大丝束碳纤维亦可降低成本，另外，将碳纤维用到风电叶片的关键部位，提高性能的同时减少花费。碳纤维直径小时，它的表面积较大，材料加工时不容易，且容易受工艺眼影响，要求有高的工艺水平，于是，采用新型成型加工技术是必然趋势，预浸料工艺法可作为选择。

8 结语

事物均有两面性，有利必有弊，碳纤维叶片有众多优势，也存在些许问题，针对其问题思考对应的解决方案，促进碳纤维的进一步应用。

参考文献：

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[2]罗益锋.先进复合材料在高端和一般产业领域的最新发展[J].高科技纤维与应用，2012，37（4）：41-48.

[3]罗永康，李炜，胡红，等.碳纤维复合材料在风力发电机叶片中的应用[J]，电网与清洁能源，2008，24（11）：53-57.