碳纖維在風力發電葉片中的應用

劉 洋

（連云港中復連眾復合材料集團有限公司，江蘇 連云港 222000）

1 應用背景

風能作為一種綠色環保型能源是可再生能源中最具開發潛力的能源之一。風機葉片是風力發電系統的關鍵動部件，其良好的設計、可靠的質量和優越的性能是保證機組正常穩定運行的決定因素，是風力發電機獲得較高風能利用系數和較大經濟效益的基礎。隨著現代風電技術的發展及日趨成熟，為了降低風電單位成本，風機功率不斷提高，風力發電機組研究正沿著增大單機容量、減輕單位千瓦質量、提高轉換效率的方向發展。葉片的長度和風機的功率成正比，風機功率越大，葉片越長。當葉片長度增加時，質量的增加要快于能量的提取，因為質量的增加和風葉長度的立方成正比，同時隨著葉片長度的增加，對增強材料的強度和剛度等性能提出了新的要求，玻璃纖維在大型復合材料葉片制造中逐漸顯現出性能方面的不足。為了保證在極端風載下葉尖不碰塔架，葉片必須具有足夠的剛度。減輕葉片的質量，又要滿足強度與剛度要求，有效的辦法是采用碳纖維增強。當風力機超過3MW、葉片長度超過40m 時，葉片制造時采用碳纖維已成為必要的選擇。事實上，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目前丹麥Vestas 公司的V164-7MW 風機，風輪直徑長達164m，風機葉片長達80m。此風機最大創新除其具有超大尺寸，還在于它是基于成熟技術開發的中速傳動系統解決方案，能在很大程度上持續提升風能捕捉效率。目前，

2 碳纖維應用部位

風電葉片發展初期，由于葉片較小，有木葉片、布蒙皮葉片、鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片、鋁合金葉片等等，隨著葉片向大型化方向發展，復合材料逐漸取代其他材料幾乎成為大型葉片的唯一可選材料。復合材料具有其它單一材料無法比擬的優勢之一就是其可設計性，通過調整單層的方向，可以獲得該方向上所需要的強度和剛度。更重要的是可利用材料的各向異性，使結構不同變形形式之間發生耦合。比如由于彎扭耦合，使得結構在只受到彎矩作用時發生扭轉。在過去，葉片橫截面耦合效應是一個讓設計人員頭疼的難題，設計工程想方設法消除耦合現象。但在航空領域人們開始利用復合材料的彎扭耦合，拉剪耦合效應，提高機翼的性能。受此啟發人們在風電葉片上引人彎扭耦合設計概念，控制葉片的氣彈變形，這就是氣彈剪裁。通過氣彈剪裁，降低葉片的疲勞載荷，并優化功率輸出。而在選擇葉片材料的問題上，由于碳纖維比玻璃纖維昂貴， 采用百分之百的碳纖維制造葉片從成本上來說是不合算的。目前國外碳纖維主要是和玻璃纖維混和使用，碳纖維只是用在一些關鍵的部分。以下介紹的是碳纖維在葉片中應用的主要部位。

1） 橫梁，尤其是橫梁蓋是目前碳纖維在風電葉片中最重要的部位。相比玻璃鋼，玻璃鋼在提高葉片強度的同時卻大幅減輕了自身重量。2） 蒙皮表面，蒙皮表面整體使用碳纖維，可以降低作用在內支撐梁上的受力和扭矩，通過設計可以實現“材料誘導式”的葉片受載彎扭耦合。據NEG 麥康公司的專利報導，葉片在總長度的60%～85%部分用玻璃鋼條帶加固葉片蒙皮橫截面外部圓周的一個薄層，該薄層可提高蒙皮抵抗拉力和壓力的能力。3） 前后邊緣，除了提高剛度和降低質量外，還起到避免雷擊對葉片造成損傷的作用。4） 葉片根部，碳纖維應用于葉片根部時，不僅可以提高根部材料的斷裂強度和承載強度，使施加在螺栓上的動態載荷減小，還可以增加葉根法蘭處的螺栓數量，從而增加葉片和輪轂連接處的靜態強度和疲勞強度。5） 靠近葉尖部分。由于靠近葉尖的部分采用玻璃鋼，其質量較小，靠近葉根部分可以使用較少的材料，減小了在風機輪轂上的負載。此外，剛度較大的葉尖部分可以減小由于葉片偏振太厲害以致葉片尖部擊打桿塔的危險。相對較硬的葉尖部分和相對較低剛度的葉根部分形成了一個有利的偏斜形狀，氣動阻尼增加，可以減小氣動載荷。同時，中間過渡區的存在避免了玻璃鋼和玻璃鋼之間剛度的突然變化導致的應力集中。與只由玻璃鋼制成的葉片相比，該葉片具有優異的剛度成本比

3 碳纖維在風電葉片應用中的優勢

3.1 提高葉片剛度，減輕葉片重量

碳纖維的密度比玻璃纖維小約30%，強度大40%，尤其是模量高3 至8 倍。大型葉片采用碳纖維增強可充分發揮其高彈輕質的優點。荷蘭戴爾弗理工大學研究表明，一個旋轉直徑為120 米的風機的葉片，由于梁的質量超過葉片總質量的一半，梁結構采用碳纖維，和采用全玻纖的相比，重量可減輕40%左右;碳纖維復合材料葉片剛度是玻璃纖維復合材料葉片的兩倍。據分析，采用碳/玻混雜增強方案，葉片可減重20%～30%。

3.2 使風機的輸出功率更平滑更均衡，提高風能利用效率

使用碳纖維后，葉片重量的降低和剛度的增加改善了葉片的空氣動力學性能，減少對塔和輪軸的負載，從而使風機的輸出功率更平滑和更均衡，提高能量效率。同時，碳纖維葉片更薄，外形設計更有效，葉片更細長，也提高了能量的輸出效率。

4 結語

21 世紀是高效、潔凈和安全利用新能源的時代，隨著風電單機容量的增大，葉片尺寸趨于大型化，全球風電行業迫切需要先進復合材料及其制造技術，使得葉片生產材料必然向著強度更大、抗疲勞特性更好、質量更輕的方向發展，所以碳纖維復合材料葉片具有極大優勢和發展前景。研究結果和實際應用情況均證實碳纖維應用到風機葉片中的可行性，于此同時我們應該清楚認識到在進一步推廣應用碳纖維復合材料所遇到的問題，然后從原材料的制備、葉片結構的優化，成型工藝技術的提升、質量控制等方面深入研究，不斷提高技術水平和創新能力，以求碳纖維增強材料在風電領域得到更進一步的應用。