碳纖維在風力發電機葉片中的應用

1. 在風機葉片中的應用

    當葉片長度增加時，重量的增加要快于能量的提取，因為重量的增加和風葉長度的立方成正比，而風機產生的電能和風葉長度的平方成正比。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。減輕葉片的重量，又要滿足強度與剛度要求，有效的辦法是采用碳纖維增強。國外專家認為，由于現有材料性不能很好滿足大功率風力發電裝置的需求，玻璃纖維復合材料性能已經趨于極限，因此，在發展更大功率風力發電裝置和更長轉于葉片時，采用懺能更好的碳纖維復合材料是勢在必行。根據國外有關資料報道，當風力機超過3MW、葉片長度超過40米時，在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纖葉片便宜，因為材料用量、勞動力、運輸和安裝成本等都下降了。

    國外碳纖維用于葉片制造的廠家主要有：

    （1）丹麥LM Glassfiber“未來”葉片家族中61.5米長、5MW風機的葉片在梁和端部都選用了碳纖維。

    （2）德國葉片制造商Nordex Rotor公司。

    （3）Vestas Wind System公司 在他們制造的44米長、V-90 3.0 MW風電機中的葉片的梁采用了碳纖維。2004年12月Zoltek Companies Inc．宣布與Vestas wind Systems AS公司訂立長期戰略合同，在前三年提供價值8千萬到1億美元的碳纖維用于制造風機葉片；Zoltek Companies公司宣布對NEG Micon的碳纖維合同將從每年150噸增加一倍。同時每年分別向Vestas和Ganesa各提供1000噸，所用牌號為Panex33 48K。

    （4）西班牙Gamesa在他們旋轉直徑為87米（G87）和90米（G90）2MW的風機的葉片中采用了碳纖維/環氧樹脂預浸料，G90葉片長44米，質量約7噸。 

    （5）NEG Micon在40米的葉片中采用了碳纖維。

    （6）德國Enercon 公司在他們的大型葉片的制造中也使用了碳纖維。

    華盛頓的Kirkland公司收到美國能源部（U.S.Department of Energy ）的75萬美元，作為研發資金，和TPI Composites公司合作，發展碳纖維風機葉片，以求得最大的能量獲得，同時減輕風機的負載。方案通過對30-35m長葉片的設計，制造和測試以證明先進的碳纖維混編設計的商業可能性。

    碳纖維在風葉中的應用正在逐年增加。

    2. 碳纖維在風葉片中應用的主要部位

    由于碳纖維比玻纖昂貴，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纖混和使用，碳纖維只是用到一些關鍵的部分。碳纖維在葉片中應用的主要部位有：

    （1）橫梁（Spar），尤其是橫梁蓋（Spar Caps）。

    （2）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的損傷（專利 US6457943BI）。

    （3）葉片的表面，采用具有高強度特性的碳纖維片材（日本專利JP2003214322）。

    3. 碳纖維在風機葉片中應用的優勢