碳纖維在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用

    4.碳纖維在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)
    碳纖維的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：
   （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(qiáng)度大40％，尤其是模量高3至8倍。大型葉片采用碳纖維增強(qiáng)可充分發(fā)揮其高彈輕質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。荷蘭戴爾弗理工大學(xué)研究表明，一個(gè)旋轉(zhuǎn)直徑為120米的風(fēng)機(jī)的葉片，由于梁的質(zhì)量超過(guò)葉片總質(zhì)量的一半，梁結(jié)構(gòu)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(fù)合材料葉片剛度是玻璃纖維復(fù)合材料葉片的兩倍。據(jù)分析，采用碳／玻混雜增強(qiáng)方案，葉片可減重20～30％Vesta Wind System公司的V90 3 Mw發(fā)電機(jī)的葉片長(zhǎng)44m，采用碳纖維代替玻璃纖維的構(gòu)件，葉片質(zhì)量與該公司V80 2 MW 發(fā)電機(jī)且為39米長(zhǎng)的葉片質(zhì)量相同。同樣是34m長(zhǎng)的葉片，采用玻璃纖維增強(qiáng)聚脂樹(shù)脂時(shí)質(zhì)量5800kg，采用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂時(shí)質(zhì)量5200kg，而采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂時(shí)質(zhì)量只有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纖維所制得的風(fēng)機(jī)葉片質(zhì)量比玻璃纖維的輕約32％，而且成本下降約16％。表2所示為玻纖和碳纖及復(fù)合材料性能比較。圖5為完全碳纖維葉片和目前歐洲商業(yè)化的葉片重量比較。

     
   （2）提高葉片抗疲勞性能
    風(fēng)機(jī)總是處在條件惡劣的環(huán)境中，并且24小時(shí)的處于工作狀態(tài)。這就使材料易于受到損害。相關(guān)研究表明，碳纖維合成材料具有出眾的抗疲勞特性，當(dāng)與樹(shù)脂材料混合時(shí)，則成為了風(fēng)力機(jī)適應(yīng)惡劣氣候條件的最佳材料之一。
   （3）使風(fēng)機(jī)的輸出功率更平滑更均衡，提高風(fēng)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(dòng)力學(xué)性能，減少對(duì)塔和輪軸的負(fù)載，從而使風(fēng)機(jī)的輸出功率更平滑和更均衡，提高能量效率。同時(shí)，碳纖維葉片更薄，外形設(shè)計(jì)更有效，葉片更細(xì)長(zhǎng)，也提高了能量的輸出效率。
   （4）可制造低風(fēng)速葉片