碳纖維在風力發電機葉片中的應用

呂召濤

摘 要：碳纖維作為一種新型材料，有其余材料不及的優勢所在，將碳纖維應用在風力發電機的葉片上，解決了風電葉片現存在的問題，滿足了風電的大型化趨勢，為風力發電技術的發展提供了更有利的條件。本文還簡要分析了在風力發電機葉片中用碳纖維復合材料的優勢和遇到的問題，提出了對應的方案。

關鍵詞：碳纖維;風力發電;發電機葉片

1 碳纖維簡述

碳纖維增強復合材料可簡稱為碳纖維，碳纖維最基本的構成單元是碳絲，碳絲可通過化學、機械方法轉變為碳纖維織物，用于碳纖維制件。碳纖維增強復合材料制造的用品有很多類型，工藝不同則制成的產品不同。碳纖維復合材料結構性能穩定，具有耐腐蝕性，而且耐疲勞、耐高溫，還可導熱、導電，它的比強度和比模量較于其余材料都處于高水平，制作碳纖維的難度和要求都很高，碳纖維的需求量極大，價格昂貴。

2 碳纖維的應用

碳纖維材料被稱為“21世紀材料之星”，它具有廣泛的應用并不斷發展，深受歡迎，諸多領域均有涉及到碳纖維。碳纖維的質量輕，很多體育器材，例如高爾夫球桿、自行車、皮劃艇、網球拍等被希望有很輕的質量，賽車、摩托艇等運動器材也最好質量輕，碳纖維材料符合人們的要求，它的密度比其余材料小，比強度、比模量突出，結構穩定，耐疲勞強度高，破損安全性能好，熱膨脹系數低，阻尼大，制作出的制品不僅質輕還堅、剛。

撐竿是一步步發展到用最好材質的，最初的山胡桃木，結實又重，彈性不夠，儲能差，無法很好地展現選手的優勢，浪費了很多動能;于是，竹竿出現了，它質量輕又有彈性，對比木質竿是個好選擇，但仍不能足夠令人滿意;尼龍撐竿、玻璃纖維竿先后被使用，如今，碳纖維撐竿擁有更好的性能，竿柔軟卻結實，且各部位的材質由撐竿受力差異性決定，目前來說令人滿意，運動員助跑的部分動能轉化為撐竿的彈性變形能，撐竿被壓到最大限度時，這部分能量轉化為勢能，使運動員可借力騰空，飛越橫桿。大型網球拍要求網線拉力強，使打球時不會變形，碳纖維的特點使其可滿足網球拍的制造要求，制作出的網球拍能給運動員帶來舒適感及運動快感。自行車中用到的碳纖維材料使車有好的剛性及減震性，且質量較輕，外觀美麗。碳纖維材料的運用在一定程度上提高了體育科技水平，好的運動設施能更大限度展示運動員的優勢，甚至突破其極限。

除了運動器材方面，碳纖維在軍工、汽車工業、醫療、交通運輸、能源裝備、航空航天等領域均有運用。

3 風力發電的優缺點及發展

風力發電是一種新型發電手段，成本低、無污染，可減少資源的浪費，保護氣候及環境，是很有開發潛力的可再生能源，因此，風力發電受到了越來越多的重視，眾多政策相繼出臺，只為促進風力發電行業的發展。但風力發電也有很大的弊端，風具有間歇性且風力大小無法妥善控制，有時風大有時風小，有時有風有時無風，風力大多在夜間很大，白天風力相對小，早晚比中午的風力大，剛好與人類作息規律相反，風電發出的電無法直接使用，還需借助火電使用。目前，我國風力發電行業仍處于建設階段，大型化是當前風電的主要發展趨勢，如今風電技術逐步發展且正在走向成熟，對其的研究也越來越深入，針對風力發電的不足之處也分析了很多措施。

4 碳纖維在風機葉片中的運用

從前的風機葉片材料通常是木材，布料，金屬等傳統材料，但為了提高葉片性能，現在的風力機的設計中使用了許多新材料，碳纖維增強復合材料就屬于其中一種新型復合材料。

基體、增強纖維組成了纖維增強復合材料。基體常用熱塑性或熱固性材料，材料的強度和模量都比較低，但其擁有好的粘彈性和彈塑性，并且有高的應變。纖維材料直徑較小，通常小于10μm，缺陷較少，不易被腐蝕或損害。

想增強葉片的功率，必須增加葉片的長度，同時還增加了相同葉片的重量，葉片長度增加的時候，質量增加速度要快，超過提取能量的速度。由于風力機產生的電能與葉片的長度成正比，因此在這種情況下，選擇葉片的材料對于獲得更好的設計極其重要。傳統的風力機通常使用玻璃纖維葉片，玻璃纖維的重量大，不足之處很多，性能已近乎達到極限。風力機葉片材料選擇更趨向于重量低、性能好的碳纖維復合材料。

葉片剛度要強，以確保在極端風載時，葉片的葉尖接觸不到塔架。在選擇材料的時候要考慮重量、剛度、強度等多方面因素，采用碳纖維可增強性能，達到預取效果。碳纖維材料可以用于風力機的設計中，它比玻璃纖維的性能更好，且能滿足風力發電機功率的高要求，符合風電機葉片的材料需求，且當葉片超過一定尺寸后，碳纖維葉片反而比玻璃纖維葉片便宜，因為材料用量、勞動力、運輸和安裝成本等都下降了。

將碳纖維復合材料用到風電葉片上，可以改善葉片的強度、剛度，使葉片的粘彈性和可塑性增加，并且更耐負載。碳纖維有質量輕，強度、剛度高的性能，能滿足大型葉片開發對材料的要求。碳纖維材料用到葉片上，很好地發揮了它的優勢。

5 碳纖維的應用部位

葉片的發展越來越向大型化靠近，單一的材料已經無法滿足葉片的發展需求，選擇復合材料已經成為必然趨勢，復合材料由兩種及以上材料合成，性能較單一材料有更好的改善，它的可設計性讓單層方向上的強度和剛性均可達到預期，它的各向異性導致耦合的發生。將彎扭耦合運用到風電葉片上，此時葉片由于受到彎矩作用發生扭轉，進而控制其氣彈變形，優化葉片的功率輸出。碳纖維的價格昂貴讓完全采用碳纖維制葉片顯得奢侈而又不劃算，所以碳纖維最好用在極需要它的重要部位。

橫梁是風電葉片中最需要用到碳纖維的部位;葉片的表面全部需要用到碳纖維，以降低內支撐梁所受的壓力;在葉片的前后邊緣用上碳纖維，剛度提高、重量降低的同時還可防止葉片被雷擊中受到損壞;葉片的根部同樣是關鍵部位，使用碳纖維能提高其抗破損力，降低載荷。

碳纖維的昂貴注定它要用到最需要它的部位，既節省成本，又可以發揮其優勢，對葉片起到有利作用。

6 在葉片中用碳纖維材料的好處

碳纖維材料本身具有很多優良性能，應用到葉片上，可以增強葉片的強度、剛度，降低葉片的重量，避免風電葉片過重給風力發電工作造成困擾，同時減小葉尖碰到塔的問題發生的概率。用傳統材料制作風電葉片時有很多問題，風資源的浪費就是其中一個問題，剛度高的材料可以提高資源的利用率，顯然，傳統的材料并不具備這一特性，最終試驗發現，碳纖維材料可以滿足這一要求，風能利用率提高，風資源的浪費被減少，轉化為更多電力，使能量輸出功率更均衡，效率也得以提高。普通材料制成的葉片是有劣勢的，環境也可以輕而易舉影響到發電的質量以及效率，尤其是遇到惡劣天氣，普通材料制成的葉片完全適應不了這樣的環境，進而影響到發電效率，于是，碳纖維材料又派上了用場，它不容易被環境影響，并且具有優于普通材料的抗腐蝕性、抗疲勞性，天氣變化并不會對其造成過多影響，發電效率也得到了保障。碳纖維被提到最多次的就是可以減重，可以提高剛度、強度，可以增加葉片的長度，制造大型葉片運用碳纖維可降低風能的成本。

7 應用碳纖維時遇到的問題及措施

碳纖維的價格昂貴是它的主要問題，直接影響了它在風力發電方面的大規模運用。顯然，前面也稍許提到了解決方案，當葉片大型化后，使用碳纖維材料比較實惠，大絲束碳纖維亦可降低成本，另外，將碳纖維用到風電葉片的關鍵部位，提高性能的同時減少花費。碳纖維直徑小時，它的表面積較大，材料加工時不容易，且容易受工藝眼影響，要求有高的工藝水平，于是，采用新型成型加工技術是必然趨勢，預浸料工藝法可作為選擇。

8 結語

事物均有兩面性，有利必有弊，碳纖維葉片有眾多優勢，也存在些許問題，針對其問題思考對應的解決方案，促進碳纖維的進一步應用。

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