碳纤维在风机叶片中的应用

风能作为一种可再生能源，是绿色环保型能源中最具开发潜力的能源之一。风机叶片是风力发电系统的关键部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证风机正常稳定运行的决定因素，是风力发电机获得较高风能利用系

风能作为一种可再生能源，是绿色环保型能源中最具开发潜力的能源之一。风机叶片是风力发电系统的关键部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证风机正常稳定运行的决定因素，是风力发电机获得较高风能利用系数和较大经济效益的基础。叶片要在恶劣环境下长期运行，随着风电机组向大型化方向发展，如何减小叶片的重量，并具有最佳的机械性能和抗疲劳强度，成为当前风机叶片领域研究的热点。大型叶片可以改善风力发电的经济性，但是随着叶片长度的增加，对叶片材料的强度和刚度性能也提出了更高的要求。

风力发电叶片是一个薄壳结构，一般由根部、外壳和加强筋或梁三部分组成。复合材料是制备风力发电叶片的首选材料，其中玻璃纤维复合材料是目前复合材料叶片所使用的主流增强材料。但是，当风机叶片超过一定的临界长度后，玻璃纤维复合材料的力学性能就已趋于极限，不能满足大型叶片对强度的要求。根据目前的研究，最有效的办法是使用性能更高的碳纤维增强材料来提供必要的刚度和减轻质量。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，碳纤维的抗拉强度是玻璃纤维的2~3倍，且具有较高的抗压缩强度、抗剪切强度和优良的阻尼特性。虽然碳纤维价格比玻璃纤维高，但有文献指出，当叶片超过一定尺寸后，材料用量、劳动力、运输和安装成本等均有明显下降，使用碳纤维叶片反而要比玻璃纤维叶片经济。大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。碳纤维叶片的几何轮廓可以设计得更薄，叶片更细长，同时叶片质量的降低和刚度的增加可以有效改善叶片的空气动力学性能，减少对塔和轮轴的负载，使风机的输出功率更平滑、更均衡，提高能量效率。充分利用碳纤维增强材料的特性还能制造自适应叶片，发电成本有望降低。利用碳纤维的导电性还能避免雷击，可以有效地避免雷击对叶片造成损伤。

然而，与玻璃纤维相比，碳纤维是脆性材料，材料受力过大会直接断裂。另外从成本角度考虑，在目前的风机规模下，由于碳纤维比玻璃纤维价格贵得多，采用100％的碳纤维制造叶片从成本上来说是不合算的。目前国内外碳纤维主要是与玻璃纤维混合使用，碳纤维只是用在一些关键部位。碳纤维在叶片中应用的主要部位有：（１）大梁。质量更轻，模量更大，刚度增加且在叶片的设计中减小了叶片的预弯，降低了叶片生产的难度。（２）前后边缘。除了加强叶片强度和降低质量外，还能转移雷电的来袭，避免雷击对叶片造成损伤。（３）叶片的表面。（４）定桨矩风机叶尖刹车段的碳纤维轴。采用上述混杂纤维增强技术需要发挥各种纤维的性能优势，保证良好的浸润性，保证碳纤维的伸直取向，在保证性能优良的情况下降低成本。(一员)