碳纖維復合材料在風力發電機葉片中的應用研究

王凱澤

摘 要：隨著社會不斷發展，生產活動造成的環境污染問題日益突出，因此開發新能源成為了當今各個國家關心的問題。因此風能的開發顯得十分重要，在風能開發環節，風葉的材料對風葉影響巨大，碳纖維的使用大大增加了風葉強度，優化其性能，也提高了風機對風能的利用率。本文就對碳纖維復合材料進行介紹，并對其在風力發電機中的應用進行分析。

關鍵詞：炭纖維復合材料；風力發電；風電機葉片

引言：風力發電是現今重要的新能源形式，而風電葉片的性能直接影響到了對風能的利用率，隨著社會對于電力資源的需求不斷增加，風電葉片尺寸需要向著更大、更輕方向發展。因此研究碳纖維及應用著實重要。

一、碳纖維復合材料概述

碳纖維是含碳量高于90%的一種無機纖維材料，其力學性能十分優越，強度十分高，而且耐熱、抗熱沖擊能力強、比重小，不僅僅有用碳材料本有的特點，又有很強的柔軟性，可以制造成各種形狀的材料，有很強的的應用前景。但是材料造價教高，這也是限制此材料發展的因素之一。

二、碳纖維在風力發電機葉片中的應用優勢

1 提高葉片剛度、減輕葉片質量

碳纖維材料其密度比較小，與常用的玻璃纖維相比碳纖維密度是玻璃纖維的70%，然而強度是其140%，而其比模量十分大，是玻璃纖維的3倍多，在風電葉片中采取CFRP材料將會使葉片的總質量大幅度減小。

2 提高葉片抗疲勞性能

通常為了獲取更好的風力資源，風機通常都是在遠離城市的惡劣環境中工作，全天候運作且常要承受太陽暴曬、雨淋、霜凍、雷電等自然考驗，風葉容易受到損傷。然而根據研究與實踐結果表明，采取碳纖維材料或者將其與樹脂材料混合用來制造風機葉片，可以明顯提高風機抵抗惡劣環境的能力。

3 可以制造自適應葉片

利用碳纖維材料制造的葉片，可以對葉片的角度進行調整。現階段主動性調節風機其設計風速約為14m/s，當風速較高時，可以調節風葉的偏斜角度，將部分風力抵消，保護風機。然而風葉斜度改變是建立在風速逐步改變的基礎上，當遇到風速突然改變的狂風時，系統反應十分慢，不能及時保護風機。但是碳纖維材料制造的風葉，可以生產出彎曲、不對稱的葉片，減少遇到狂風時給風機帶來的負載，保護風機。

4 可以降低風力發電事業的成本

因為碳纖維優越的輕質高強特點，使得風葉在制造過程中應用的材料減少，而且葉片變得輕，減少了運輸與安裝施工的壓力，使風力發電事業投入的生產成本大大降低。

5 使風機輸出功率更平衡，提高風能利用效率

上文已經介紹了碳纖維材料密度小，比模量大，通過使用大大減小了葉片的質量，提高了葉片的剛度。也正是因為葉片質量的減小，使得葉片對輪轂與塔架的負載明顯降低，實現了風機更均衡平滑的作業，能更加充分的利用好風能。同時根據碳纖維的特點可以設計出更薄、更長結構的葉片，增加對了風能利用率，使得可以獲取更多的電能。

三、碳纖維在風力發電機葉片中的應用

根據相關研究結果可以知道當增加風葉長度時，其質量增加與風葉長度的三次方正正比，而提取的電能僅僅與風葉的二次方正正比，因此加長風葉，其質量比獲取的電能增加的多，也正是這個原因限制了風能的有效利用。傳統的材料在生產實際中顯示出了諸多的問題，質量大，強度低，而且難以在惡劣環境中保持良好的工作性能，因此就需要才風葉制造環節加入碳纖維材料，不僅僅降低了風葉質量，而且大大提高了風葉的強度。然而碳纖維材料較為昂貴，風葉制造完全采取此材料會是成本大大增加，與我們風力發電的節能減排思想違背。因此主要是在風葉的主要部位采取碳纖維材料。很多部位都是碳纖維與玻璃纖維混合使用。

上圖1為橫梁；2為風葉的前后邊緣；3是風葉的表面。此三部分都是風葉中關鍵部位，也是碳纖維主要使用的部位。

四、結束語

綜上所述，可以知道碳纖維在風力發電機葉片中應用使葉片的性能大大增加，在如今國內外對新能源的迫切需求下，進一步研究提高風葉性能的材料仍是國內研究者需要繼續努力的方向。

參考文獻：

[1] 羅永康，李煒，胡紅等.碳纖維復合材料在風力發電機葉片中的應用[J].電網與清潔能源，2008，24（11）：53-57.

[2] 趙杰，王一平，黃群武等.基于風剪切的多風輪風力發電系統葉片載荷研究[J].太陽能學報，2014，35（7）：1176-1182.

[3] 屈圭.風電機葉片設計參數的整體優化[J].機電產品開發與創新，2009，22（2）：68-71.

[4] 屈圭，吳運新.大功率風力發電機葉片設計研究[J].廣東技術師范學院學報，2007，（12）：72-76.endprint