碳纤维复合材料在风电叶片上的应用

随着世界经济的发展，作为前景潜力巨大的可再生能源风能越来越受到世界各国的重视。而风电叶片是风能发电时需要应用的重要设备，随着科技的不断进步，风电叶片的尺寸越来越大，重量也不断增加，材质出现了较大的变化，设计人员在叶片设计中应用了碳纤维复合材料。

 

 

传统的叶片多采用的是玻璃纤维，这种材质的重量比较大，与复合材料相比，其性能存在较多的不足。在极端风载作用下，叶尖不能碰触到塔架，叶片必须具有较强的刚度，在减轻叶片重量时，还要保证其刚度及强度不会出现降低。碳纤维复合材料是一种新型的材料，将其应用在风电叶片的制造中，可以很好的满足风力发电装置的大功率需求，其突破了玻璃纤维复合材料的性能极限，而且可以保证风电叶片在增加长度的同时，重量大大降低。

 

一、碳纤维复合材料在风电叶片中的应用优势

 

1、提高叶片刚度，减轻叶片质量

 

CFRP的比强度约是GFRP的2倍，比模量约是GFRP的3倍。对于用于相同功率机组的风电叶片，碳纤维的使用可使叶片的重量大幅下降（如图2）。如中材科技风电叶片股份有限公司开发成功的3MW级56mCFRP风电叶片，相比市场上同型号的全玻璃纤维风电叶片，每套叶片可减轻6t的质量。

 

 

2、使风机的输出功率更平滑更平衡，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，减少了对塔架和轮毂的负载，从而使风机的输出功率更平滑更均衡，提高了风能利用效率。同时，碳纤维的轻质高强特性可使叶片能够设计成更薄更有效的结构形式，叶片更长，提高了能量的输出效率。此外，在大型柔性风电叶片结构中如主梁帽和蒙皮中采用CFRP，可以实现叶片的弯扭耦合设计，在降低叶片的疲劳载荷的同时优化效率输出。

 

3、提高叶片对恶劣环境的适应性

 

风机长期在恶劣的自然条件下工作，湿度、疲劳、暴风雨和雷击等因素都可能使风电叶片易于受损。CFRP不仅具有高的抗压缩强度和优良的耐疲劳特性，而且对酸碱盐具有良好的耐腐蚀性，碳纤维的使用使叶片对恶劣环境的适应性提高。

 

4、降低风电叶片的制造和运输成本

 

当叶片超过一定尺寸时，CFRP叶片反而比GFRP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。

 

二、碳纤维在风电叶片中的应用设计

 

由于碳纤维价格比较高，考虑到叶片的制造成本，碳纤维只应用到叶片的一些关键部位，在这些部件中，除了全碳纤维外，碳纤维多以碳纤维—玻璃纤维混杂的结构存在。

 

1、主梁帽

 

目前，碳纤维在风电叶片中最主要的应用部位是主梁帽，相对于GFRP主梁帽，CFRP主梁帽在提高叶片刚度的同时，大幅减轻了叶片的质量，表1列出了国内外各叶片制造厂商开发的CFRP风电叶片，可以看出，碳纤维在叶片中应用最多的部位是主梁帽。

 

2004年GEC（Global Energy Concepts）设计了一个用于3MW机组的长度约为50m风电叶片，叶片主梁帽总长度的50%由CFRP构成，另外50%长度由GFRP组成，相对于全GFRP风电叶片，叶片主梁帽的厚度约减少了一半，叶片质量从9790kg减为8236Kg，质量减轻了16%，叶根处的重力诱导弯矩减小了26%。在此结构中，全玻璃纤维到全碳纤维复合材料过渡区在刚度和应变等方面的匹配是需要解决的一个难题。

 

 

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%到85%部分用CFRP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。另有专利报导，叶片迎风面蒙皮采用GFRP制成，而只在主要承受压缩载荷的背风面蒙皮采用碳纤维/玻璃纤维复合材料制成。

 

3、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少，还可以增加根部法兰处的螺栓数量，从而增加叶片和轮毂连接处的静态强度和疲劳强度。

 

4、叶片前后缘防雷系统

 

碳纤维用于叶片的前后缘，除了能提高叶片刚度和降低叶片质量外，通过特殊的设计，还可以有效地避免雷击对叶片的损伤。

 

5、靠近叶尖部分

 

据LM公司的专利报道，在靠近叶尖部分占整个叶片长度25%到50%的位置采用CFRP，而在靠近叶根的部分有GFRP制成，中间过渡区中CFRP逐渐由GFRP代替。由于靠近叶尖的部分采用GFRP，其质量较小，靠近叶根部分可以使用较少的材料，减少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塔杆的危险。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，可以减少气动载荷。同时，中间过渡区的存在避免了CFRP和GFRP之间刚度的突然变化导致的应力集中。

 

三、碳纤维在风电行业中应用前景

 

未来风电的发展对碳纤维的用量将不断增加，尤其海上风电领域。海上风电机组的额定功率将超过20MW、转子直径约200m，碳纤维能够为海上风力发电提供更轻质、更抗拉力、更耐腐蚀的叶片和塔架材料。

 

 

海上风电塔架

 

 

碳纤维将使综合风力发电成本降低。碳纤维的使用将使风力发电机组向轻质、大型化发展，整体发电效率提高，且未来碳纤维在风电领域的规模化推广应用以及逐步成熟的风力发电市场将促使风力发电机组相关制造厂商良性竞争，不断进行技术革新，促进碳纤维复合材料的成型技术向低成本化方向发展。