碳纖維在風(fēng)力機(jī)葉片中的應(yīng)用與前景

鑒于目前碳纖維昂貴的成本，在風(fēng)力機(jī)葉片的所有部位上使用碳纖維從成本上來說不合算?，F(xiàn)階段，碳纖維主要是和玻纖混和使用，碳纖維只是在主梁、前后緣，和蒙皮等一些關(guān)鍵的部分使用。碳纖維的使用形式上主要以單向碳纖維預(yù)浸料和碳纖維多軸向織物為主，工藝上則主要采用真空輔助成型工藝(VARTM)或樹脂膜滲透(RFI)工藝。近年來，全球各大葉片制造商為了使碳纖維能在風(fēng)力發(fā)電上得到更多的應(yīng)用，從原材料、工藝技術(shù)、質(zhì)量控制等各方面進(jìn)行了深入研究，以求降低成本。
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目前，把碳纖維用于風(fēng)力機(jī)葉片制造的廠家及其產(chǎn)品包括：丹麥LM Glassfiber“未來”葉片家族中61.5米長(zhǎng)、5MW風(fēng)機(jī)的葉片在梁和端部都選用了碳纖維，并且利用碳纖維的導(dǎo)電特性進(jìn)行了風(fēng)力機(jī)葉片防雷系統(tǒng)的設(shè)計(jì);德國(guó)葉片制造商N(yùn)ordex Rotor制造的56米長(zhǎng)、5MW風(fēng)機(jī)葉片的整個(gè)主梁結(jié)構(gòu)也采用了碳纖維，他們認(rèn)為葉片超過一定尺寸后，碳纖維葉片的制作成本并不比玻纖的高;Nordex還在N117/2400和N117/3000兩類風(fēng)機(jī)上使用了采用碳纖維復(fù)合材料梁帽制造的葉片;德國(guó)Enercon公司也在其E82/E4等機(jī)型使用的葉片上都采用了碳纖維復(fù)合材料梁帽;德國(guó)Repower公司制造的5MW風(fēng)機(jī)葉片，輪轂直徑達(dá)到了126米，該葉片采用碳纖與玻纖混雜結(jié)構(gòu)制成，單支葉片的重量達(dá)到了18噸;丹麥Vestas公司作為世界碳纖維風(fēng)力機(jī)葉片的最大用戶，在他們制造的44米長(zhǎng)、3MW風(fēng)電機(jī)中的葉片的主梁上采用了碳纖維，葉片重量?jī)H有6噸。Vestas公司從2012年起，又在幾乎所有MW級(jí)的葉片上使用了碳纖維復(fù)合材料制成的筋板和梁帽;西班牙Gamesa在直徑為87米(G87)和90米(G90)2MW的風(fēng)機(jī)的葉片中采用了碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，其2MW-44m碳纖維葉片僅重5.8噸，相比2MW-39m玻璃纖維葉片輕1.5噸。 123456

另外，GE公司、西門子公司和蘇司蘭公司在開發(fā)海上大型風(fēng)力機(jī)葉片時(shí)，都不約而同的選擇了碳纖維作為減重材料的首選。國(guó)內(nèi)的中復(fù)連眾、中材科技等葉片制造商也已經(jīng)在部分葉型上采用了碳纖維復(fù)合材料梁帽，并開展了對(duì)大型風(fēng)力機(jī)葉片上采用碳纖維復(fù)合材料的研究。 copyright 123456

碳纖維在風(fēng)葉中的應(yīng)用逐年增加，據(jù)GE公司估計(jì)，到2020年前，全球每年平均將新增50GW風(fēng)機(jī)，如果這些風(fēng)機(jī)都使用碳纖維主梁，那么每年風(fēng)能業(yè)的碳纖維需求將達(dá)6萬噸。 123456

應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

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與傳統(tǒng)玻纖相比，碳纖維有更優(yōu)良的力學(xué)性能，強(qiáng)度一般在3,500MPa以上，楊氏模量比玻璃纖維高3倍以上，密度卻小約30%，且在有機(jī)溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性突出，所以采用碳纖維或碳纖維/玻纖混雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效改善風(fēng)力機(jī)葉片的多種性能。

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提高剛度，減輕重量

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由于碳纖維優(yōu)良的力學(xué)性能，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)，這也是碳纖維在葉片上應(yīng)用最主要和最直接的優(yōu)勢(shì)。 123456

據(jù)Zoltek公司和美國(guó)堪薩斯州的Wetzel工程設(shè)計(jì)公司研究顯示，當(dāng)3MW-57m風(fēng)機(jī)葉片主梁使用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，與玻璃鋼葉片相比，葉片重量減輕27%，且具有更高剛性，更高耐疲勞性，但同時(shí)葉片本身的原材料成本上升了13.7%。在10MW-90m風(fēng)機(jī)葉片主梁使用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造時(shí)，與玻璃鋼葉片比較，葉片重量減輕32.5%，原材料成本僅上升了7%。當(dāng)其外殼與主梁均采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造時(shí)，重量減輕了54.6%，而成本卻沒有增加，甚至還降低了約0.1%。因此，在越大型的葉片上使用碳纖維，其減重的效果越好，性價(jià)比越高。 copyright 123456

降低運(yùn)輸和安裝成本

碳纖維復(fù)合材料明顯的減重作用使得葉片運(yùn)輸?shù)某杀鞠鄳?yīng)下降，相對(duì)應(yīng)的材料用量、勞動(dòng)力和安裝成本也下降，當(dāng)葉片超過一定尺寸后，總成本將反而比玻纖葉片更便宜。

提高葉片的抗疲勞性能

風(fēng)電機(jī)組大多處在條件惡劣的環(huán)境中，這就要求風(fēng)力機(jī)葉片擁有較好的抗疲勞性能。而碳纖維復(fù)合材料抗疲勞特性出眾。實(shí)驗(yàn)顯示，在碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件每平方厘米上能承受四噸左右的壓力，并且循環(huán)次數(shù)高達(dá)二千萬到三千萬次(每分鐘二千次循環(huán))而沒有產(chǎn)生疲勞破壞。再加上碳纖維復(fù)合材料特有的防腐蝕和抗老化特性，碳纖維復(fù)合材料可以說是風(fēng)機(jī)葉片適應(yīng)惡劣氣候條件的理想材料。 內(nèi)容來自123456

改善風(fēng)機(jī)輸出功率

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碳纖維復(fù)合材料不但降低了葉片重量，還增加了葉片的剛度，在改善了葉片空氣動(dòng)力學(xué)性能的同時(shí)，也基本杜絕了風(fēng)力機(jī)葉片葉尖部位掃到塔架的可能性。葉片重量的減輕也相應(yīng)的減少了葉片對(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)，碳纖維葉片可以設(shè)計(jì)得更薄，可以采用更高能源效率的葉型設(shè)計(jì)。 copyright 123456

可制造低風(fēng)速葉片

碳纖維復(fù)合材料使風(fēng)力機(jī)葉片減重的意義還在于同樣的負(fù)載條件下，可以增加葉片的長(zhǎng)度，增大掃風(fēng)面積，從而可以應(yīng)用在低風(fēng)速地區(qū)，使風(fēng)能成本下降，具有極高的巿場(chǎng)價(jià)值。2014年，南車時(shí)代新材與國(guó)防科技大學(xué)聯(lián)合研發(fā)了2MW-56.5m超低風(fēng)速碳纖維葉片，該款葉片應(yīng)用了碳?；祀s、碳纖維液體成型等多項(xiàng)新型技術(shù)，葉片重量減輕了15%，葉片長(zhǎng)度卻超過了普通2MW葉片，是專為低風(fēng)速地區(qū)設(shè)計(jì)制造的風(fēng)力機(jī)葉片。

利用導(dǎo)電性能避免雷擊

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碳纖維還具有良好的導(dǎo)電性能。普通碳纖維電阻率一般在10-2~10-4Ω•m，高模碳纖維電阻率更在10-6Ω•m左右。在葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，利用碳纖維的導(dǎo)電性能選用碳纖維材料，進(jìn)行特殊的避雷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可有效減少，甚至避免雷擊對(duì)葉片造成的損傷。

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主要問題和解決途徑 123456

原材料成本高

碳纖維材料價(jià)格昂貴。在碳纖維應(yīng)用過程中，價(jià)格是主要的障礙。適用于風(fēng)力機(jī)葉片產(chǎn)業(yè)的高性能碳纖維價(jià)格為玻璃纖維的10倍以上。以一根碳纖維主梁為例，重量不到全玻纖主梁的80%，但成本卻是后者的5倍。 123456

業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為，只有當(dāng)葉片超過一定尺寸時(shí)，材料用量明顯下降以后，碳纖維葉片才能具有比玻璃纖維葉片更低的成本。目前階段下，葉片生產(chǎn)廠商普遍采用碳纖維和玻璃纖維共混的方法進(jìn)行葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這種方法的優(yōu)勢(shì)不僅在于能有效減少成本的增加，而且還綜合了兩種材料各自的性能優(yōu)勢(shì)。

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從碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)來看，由于技術(shù)的進(jìn)步和各碳纖維巨頭產(chǎn)能的不斷擴(kuò)張，碳纖維生產(chǎn)成本和銷售價(jià)格未來還具有進(jìn)一步下降的可能。同時(shí)，新的低成本碳纖維生產(chǎn)工藝也在研究之中。

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技術(shù)制約 本文來自123

(1)碳纖維直徑較小而表面積較大，在復(fù)合材料成型加工時(shí)浸潤(rùn)比較困難。這也是一些廠家采用碳纖維預(yù)浸料工藝的原因。而碳纖維預(yù)浸料在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中均需要冷藏，一定程度上限制了生產(chǎn)效率的提高。

(2)碳纖維的鋪層方向，纖維取向和編織工藝等對(duì)碳纖維復(fù)合材料的性能影響也比較大，而且由于剛度差異、熱脹系數(shù)差異等問題導(dǎo)致的碳玻界面的結(jié)合問題，也給碳纖維復(fù)合材料葉片帶來了一定的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

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(3)碳纖維本身呈黑色，與樹脂基體結(jié)合后的碳纖維復(fù)合材料也呈黑色，透明性較玻璃纖維復(fù)合材料差，難以進(jìn)行內(nèi)部檢查，往往需要借助無損檢測(cè)技術(shù)，包括超聲，聲發(fā)射以及紅外等技術(shù)來進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。

雖然有成本和技術(shù)上的影響，但碳纖維在大型葉片中的應(yīng)用已成為一種趨勢(shì)。隨著未來碳纖維成本可能的下降趨勢(shì)和性能的普遍提高，碳纖維應(yīng)用工藝及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)碳纖維復(fù)合材料乃至碳纖維葉片性能的影響將變得尤為重要，如何改進(jìn)碳纖維葉片的液體成型工藝，采用何種編織工藝，以及如何更精細(xì)的進(jìn)行工藝過程控制和質(zhì)量檢測(cè)將是葉片工作者們今后繼續(xù)努力探索的重要方向。