碳纖維風(fēng)電葉片存在的缺陷及解決方法

隨著葉片長(zhǎng)度的增加，對(duì)增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和剛度等性能提出了新的要求，玻璃纖維在大型復(fù)合材料葉片制造中逐漸顯現(xiàn)出性能方面的不足。為了保證在極端風(fēng)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(qiáng)度與剛度要求，有效的辦法是采用碳纖維增強(qiáng)。盡管如此，碳纖維在應(yīng)用中也存在諸多的問(wèn)題和缺陷。 點(diǎn)焊機(jī)




碳纖維應(yīng)用的缺陷



（1）碳纖維是一種昂貴纖維材料，在碳纖維應(yīng)用過(guò)程中，價(jià)格是主要障礙，另外，性價(jià)比影響了它在風(fēng)力發(fā)電上的大范圍應(yīng)用。必須當(dāng)葉片超過(guò)一定尺寸后，因?yàn)椴牧嫌昧肯陆?，才能比玻纖葉片便宜。目前采用碳纖維和玻璃纖維共混結(jié)構(gòu)是一種比較好的辦法，而且還綜合了兩種材料的性能。另外一種方法是采用從瀝青制造的成本較低的碳纖維，這種碳纖維的價(jià)格可以降到5美元／磅的心理價(jià)位。

123456

（2）CFRP比GFRP更具脆性，一般被認(rèn)為更趨于疲勞，但是研究表明，只要注意生產(chǎn)質(zhì)量的控制以及材料和結(jié)構(gòu)的幾何條件，就可足以保證長(zhǎng)期的耐疲勞。



（3）直徑較小的碳纖維表面積較大，復(fù)合材料成型加工浸潤(rùn)比較困難。由于碳纖維叫、片一般采川環(huán)氧樹(shù)脂制造，要通過(guò)降低環(huán)氧樹(shù)脂制造的熟度而不降低它的力學(xué)性能是比較困難的，這也是一些廠家采用預(yù)浸料工藝的原因。此外碳纖維復(fù)合材料的性能受工藝眼影響敏感（如鋪層方向），對(duì)工藝要求較高。



（4）碳纖維復(fù)合材料透明性差，難以進(jìn)行內(nèi)部檢查。



但碳纖維在大型葉片中的應(yīng)用已成為一種不可改變的趨勢(shì)。目前，全球各大葉片制造商正在從原材料、工藝技術(shù)、質(zhì)量控制等各方面進(jìn)行深入研究，以求降低成本，使碳纖維能在風(fēng)力發(fā)電上得到更多的應(yīng)用?？赏ㄟ^(guò)如下的途徑來(lái)促進(jìn)碳纖維在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用：



解決途徑



1）葉片尺寸越大，相對(duì)成本越低。因此對(duì)于3MW（40M）以上，尤其是5MW以上的產(chǎn)品。目前大規(guī)模安裝的2.5－3.5MW機(jī)組采用了輕質(zhì)、高性能的玻璃纖維葉片，設(shè)計(jì)可靠，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)，下一代5－10MW風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)將更多的采用碳纖維。



2）采用特殊的織物混編技術(shù)。根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)要求，把碳纖維鋪設(shè)在剛度和強(qiáng)度要求最高的方向，達(dá)到結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。如TPI公司采用碳纖維織物為800G三軸向織物（TRIAXIALFABRIC），由一層500G0°T－600碳纖維夾在兩層150G成土45°的玻纖織物內(nèi)。對(duì)于原型葉片中，碳纖維成20°，玻纖層的三軸向織物為土65°AND－25°，這種方向的鋪層可充分地控制剪切負(fù)載。旋轉(zhuǎn)織物意味著織物邊沿和葉片方向成20°角，逐步地引入旋轉(zhuǎn)耦合部件（THETWIST－COUPLINGCOMPONENT）。



3）采用大絲束碳纖維。碳纖生產(chǎn)成本高，特別是高性能的碳纖維生產(chǎn)成本生高，而葉片生產(chǎn)中，采用大絲束碳纖維可達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的。如一種新型丙烯酸碳纖維（美國(guó)專利US6103211申請(qǐng)人：TORAYINDUSTRIES（JP））該發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)度的碳纖維，所述的碳纖維主要包括大量的滿足下列關(guān)系式的細(xì)纖維：SIGMA》／＝11。L～0.75D，其中的SIGMA指碳纖維抗張強(qiáng)度，D指細(xì)纖維的平均直徑。這種碳纖維適用于風(fēng)力機(jī)葉片材料等與能源相關(guān)的設(shè)備，或者作為道路、大橋的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)層。



4）采用新型成型加工技術(shù)，如VARTM和LIGHT－RTM技術(shù)。



在目前的生產(chǎn)中，預(yù)浸料和真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑工藝已成為兩種最常用替代濕法鋪層技術(shù)；對(duì)于40M以上葉片，大多數(shù)制造商采用VARTM技術(shù)。但VESTAS和GAMESA仍使用預(yù)浸料工藝。技術(shù)關(guān)鍵是控制樹(shù)脂粘度、流動(dòng)性、注入孔設(shè)計(jì)和減少材料孔隙率。 本文來(lái)自123



在大型葉片制造中，由于碳纖維的使用，聚酯樹(shù)脂已被環(huán)氧樹(shù)脂來(lái)替代；利用天然纖維－熱塑性樹(shù)脂制造的“綠色葉片”近年來(lái)也倍受重視，如愛(ài)爾蘭的GNTH公司負(fù)責(zé)制造12.6米長(zhǎng)的熱塑性復(fù)合材料葉片，MITSUBISHI（三菱）公司負(fù)責(zé)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上進(jìn)行“綠色葉片的試驗(yàn)”。如果試驗(yàn)成功后，他們將繼續(xù)研究開(kāi)發(fā)30米以上的熱塑性復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)葉片。