碳纤维复合材料在风力发电机叶片中的应用-第2页-北极星风力发电网

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3、碳纤维在风力发电机叶片中应用的主要部位

由于碳纤维比玻璃纤维昂贵，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璃纤维混和使用，碳纤维只是用在一些关键的部分。碳纤维在叶片中应用的主要部位有(图3)：

(1)横梁(Spar)，尤其是横梁盖(SparCaps)。

(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损伤(专利US6457943B1)的作用，如图3中涂黑的部分采用碳纤维(专利 EP1485611)。

(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)。

图3 碳纤维用于叶片前后边缘和横梁盖制造

4、碳纤维在风力发电机叶片中的应用优势

(1)提高叶片刚度，减轻叶片质量

碳纤维的密度比玻璃纤维小约30%，强度大 40%，尤其是模量高3——8倍。大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。荷兰戴尔弗理工大学研究表明，一个旋转直径为120m的风机的叶片，由于梁的质量超过叶片总质量的一半，梁结构采用碳纤维，和采用全玻璃纤维的相比，质量可减轻40%左右;碳纤维复合材料叶片刚度是玻璃纤维复合材料叶片的2倍。据分析，采用碳纤维/玻璃纤维混杂增强方案，叶片可减轻 20%——30%。VestaWindSystem公司的V903MW 发电机的叶片长44m，采用碳纤维代替玻璃纤维的构件，叶片质量与该公司V802MW发电机且为 39m长的叶片质量相同。同样是34m长的叶片，采用玻璃纤维增强聚脂树脂时质量为5800kg，采用玻璃纤维增强环氧树脂时质量为5200kg，而采用碳纤维增强环氧树脂时质量只有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纤维所制得的风机叶片质量比采用玻璃纤维的轻约32%，而且成本下降约16%。图4为完全碳纤维叶片和目前欧洲商业化的叶片质量比较图。

图5 完全碳纤维叶片和目前欧洲商业化的叶片质量比较

(2)提高叶片抗疲劳性能

风机总是处在条件恶劣的环境中，并且24h处于工作状态。这就使材料易于受到损害。相关研究表明，碳纤维合成材料具有出众的抗疲劳特性，当与树脂材料混合时，则成为了风力机适应恶劣气候条件的最佳材料之一。

(3)使风机的输出功率更平滑更均衡,提高风能利用效率

使用碳纤维后，叶片质量的降低和刚度的增加改善了叶片的空气动力学性能，减少对塔和轮轴的负载，从而使风机的输出功率更平滑更均衡，提高能量效率。同时，碳纤维叶片更薄，外形设计更有效，叶片更细长，也提高了能量的输出效率。

(4)可制造低风速叶片

碳纤维的应用可以减少负载和增加叶片长度，从而制造适合于低风速地区的大直径风叶，使风能成本下降。

(5)可制造自适应叶片(“self-adaptive”blade)

叶片装在发电机的轮轴上，叶片的角度可调。目前主动型调节风机(activeutility-sizewind turbines)的设计风速为13~15m/s(29~33英里/h)，当风速超过时，则调节风叶斜度来分散超过的风力，防止对风机的损害。斜度控制系统对逐步改变的风速是有效的。但对狂风的反应太慢了，自适应的各向异性叶片可帮助斜度控制系统(thepitch controlsystem)，在突然的、瞬间的和局部的风速改变时保持电流的稳定。自适应叶片充分利用了纤维增强材料的特性，能产生非对称性和各向异性的材料，采用弯曲/扭曲叶片设计，使叶片在强风中旋转时可减少瞬时负载。美国SandiaNational Laboratories致力于自适应叶片研究，使1.5MW风机的发电成本降到4.9美分/(kW˙h)，价格可和燃料发电相比。

(6)利用导电性能避免雷击

利用碳纤维的导电性能，通过特殊的结构设计，可有效地避免雷击对叶片造成的损伤。

(7)降低风力机叶片的制造和运输成本

由于减少了材料的应用，所以纤维和树脂的应用都减少了，叶片变得轻巧，制造和运输成本都会下降。可缩小工厂的规模和运输设备。

(8)具有振动阻尼特性

碳纤维的振动阻尼特性可避免叶片自然频率与塔暂短频率间发生任何共振的可能性。

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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