碳纤维在风力发电叶片中的应用

刘 洋

（连云港中复连众复合材料集团有限公司，江苏 连云港 222000）

1 应用背景

风能作为一种绿色环保型能源是可再生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动部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组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。随着现代风电技术的发展及日趋成熟，为了降低风电单位成本，风机功率不断提高，风力发电机组研究正沿着增大单机容量、减轻单位千瓦质量、提高转换效率的方向发展。叶片的长度和风机的功率成正比，风机功率越大，叶片越长。当叶片长度增加时，质量的增加要快于能量的提取，因为质量的增加和风叶长度的立方成正比，同时随着叶片长度的增加，对增强材料的强度和刚度等性能提出了新的要求，玻璃纤维在大型复合材料叶片制造中逐渐显现出性能方面的不足。为了保证在极端风载下叶尖不碰塔架，叶片必须具有足够的刚度。减轻叶片的质量，又要满足强度与刚度要求，有效的办法是采用碳纤维增强。当风力机超过3MW、叶片长度超过40m 时，叶片制造时采用碳纤维已成为必要的选择。事实上，当叶片超过一定尺寸后，碳纤维叶片反而比玻璃纤维叶片便宜，因为材料用量、劳动力、运输和安装成本等都下降了目前丹麦Vestas 公司的V164-7MW 风机，风轮直径长达164m，风机叶片长达80m。此风机最大创新除其具有超大尺寸，还在于它是基于成熟技术开发的中速传动系统解决方案，能在很大程度上持续提升风能捕捉效率。目前，

2 碳纤维应用部位

风电叶片发展初期，由于叶片较小，有木叶片、布蒙皮叶片、钢梁玻璃纤维蒙皮叶片、铝合金叶片等等，随着叶片向大型化方向发展，复合材料逐渐取代其他材料几乎成为大型叶片的唯一可选材料。复合材料具有其它单一材料无法比拟的优势之一就是其可设计性，通过调整单层的方向，可以获得该方向上所需要的强度和刚度。更重要的是可利用材料的各向异性，使结构不同变形形式之间发生耦合。比如由于弯扭耦合，使得结构在只受到弯矩作用时发生扭转。在过去，叶片横截面耦合效应是一个让设计人员头疼的难题，设计工程想方设法消除耦合现象。但在航空领域人们开始利用复合材料的弯扭耦合，拉剪耦合效应，提高机翼的性能。受此启发人们在风电叶片上引人弯扭耦合设计概念，控制叶片的气弹变形，这就是气弹剪裁。通过气弹剪裁，降低叶片的疲劳载荷，并优化功率输出。而在选择叶片材料的问题上，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。以下介绍的是碳纤维在叶片中应用的主要部位。

1） 横梁，尤其是横梁盖是目前碳纤维在风电叶片中最重要的部位。相比玻璃钢，玻璃钢在提高叶片强度的同时却大幅减轻了自身重量。2） 蒙皮表面，蒙皮表面整体使用碳纤维，可以降低作用在内支撑梁上的受力和扭矩，通过设计可以实现“材料诱导式”的叶片受载弯扭耦合。据NEG 麦康公司的专利报导，叶片在总长度的60%～85%部分用玻璃钢条带加固叶片蒙皮横截面外部圆周的一个薄层，该薄层可提高蒙皮抵抗拉力和压力的能力。3） 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的作用。4） 叶片根部，碳纤维应用于叶片根部时，不仅可以提高根部材料的断裂强度和承载强度，使施加在螺栓上的动态载荷减小，还可以增加叶根法兰处的螺栓数量，从而增加叶片和轮毂连接处的静态强度和疲劳强度。5） 靠近叶尖部分。由于靠近叶尖的部分采用玻璃钢，其质量较小，靠近叶根部分可以使用较少的材料，减小了在风机轮毂上的负载。此外，刚度较大的叶尖部分可以减小由于叶片偏振太厉害以致叶片尖部击打杆塔的危险。相对较硬的叶尖部分和相对较低刚度的叶根部分形成了一个有利的偏斜形状，气动阻尼增加，可以减小气动载荷。同时，中间过渡区的存在避免了玻璃钢和玻璃钢之间刚度的突然变化导致的应力集中。与只由玻璃钢制成的叶片相比，该叶片具有优异的刚度成本比

3 碳纤维在风电叶片应用中的优势

3.1 提高叶片刚度，减轻叶片重量

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 至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120 米的风机的叶片，由于梁的质量超过叶片总质量的一半，梁结构采用碳纤维，和采用全玻纤的相比，重量可减轻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两倍。据分析，采用碳/玻混杂增强方案，叶片可减重20%～30%。

3.2 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，叶片重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和更均衡，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 结语

21 世纪是高效、洁净和安全利用新能源的时代，随着风电单机容量的增大，叶片尺寸趋于大型化，全球风电行业迫切需要先进复合材料及其制造技术，使得叶片生产材料必然向着强度更大、抗疲劳特性更好、质量更轻的方向发展，所以碳纤维复合材料叶片具有极大优势和发展前景。研究结果和实际应用情况均证实碳纤维应用到风机叶片中的可行性，于此同时我们应该清楚认识到在进一步推广应用碳纤维复合材料所遇到的问题，然后从原材料的制备、叶片结构的优化，成型工艺技术的提升、质量控制等方面深入研究，不断提高技术水平和创新能力，以求碳纤维增强材料在风电领域得到更进一步的应用。