碳纤维在风电叶片中的应用Application of Carbon Fiber Composites in Wind Turbine Blade ABSTRACT:In order to reduce per-unit wind power cost,turbine power is continuously rising, which lead to bigger bladelength, so the application ofcarbon fiber in wind turbine blade isinevitable. This paper introduces the advantages and disadvantages of carbon fiber in wind turbine blade, and gives the ways to settle them.KEY WORDS:carbon fiber;wind turbine blade;wind power;application摘要为了降低风电成本，风电叶片的大型化是必然趋势，因此碳纤维在风电叶片中的应用便成为必然。

本文介绍了碳纤维在风电叶片上应用的用量、主要部位、优势和以及目前存在的不足，以及可能解决这些不足的技术思路。

关键词:碳纤维风力发电叶片应用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。

截止到2012年，世界风电总装机容量约282GW，预计到2016年将达到500GW，到2020年达到1000GW[1]..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，即W = AL3，如图1所示而风机产生的电能和风叶长度的平方成正比。

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3 MW、叶片长度超过40 m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[2]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，我国国内最大海上风电叶片在国电龙源江苏如东30MW海上(潮间带)试验风电场扩建工程现场成功吊装。

叶片是来自丹麦LM公司，其长度达到73.5米，是目前国内投入运行的最大风电叶片。

该风机机型为5兆瓦风机，风轮可达直径151米碳纤维在风机用量图2为近些年碳纤维在风力发电叶片中的用量【3】，从图2可知２００１年以来，碳纤维在风机叶片中的应用量逐年增加。

其中２００５－２００７年碳纤维在风机叶片中的需求量增幅不大，这是由于自２００５年起，世界范围内碳纤维普遍供应短缺，出现了世界性的碳纤维危机。

但是从２００８年开始出现好转，各大纤维生产厂扩大生产，供应量增加，价格回落。

人们越来越意识到碳纤维在风机叶片中的优势，碳纤维在风机叶片中的应用呈现出前所未有的繁荣状态。

图2 碳纤维在风力发电叶片中的用量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[4]（1）横梁（Spar），尤其是横梁盖（Spar Caps）是目前碳纤维在风电叶片中最重要的部位。

相比GFRP，CFRP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[5]（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（专利US6457943B1）的作用，如图3中涂黑的部分采用碳纤维（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[6]强度（5）靠近叶尖部分。

由于靠近叶尖的部分采用CFRP，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CFRP和GFRP之间刚度的突然变化导致的应力集中。

与只由GFRP制成的叶片或只dt CFRP制成的叶片相比，该叶片具有优异的刚度成本比(6)定桨矩风机叶尖刹车段的碳纤维轴。

在风力发电叶片的材料选用上，混杂纤维增强技术需要发挥各种纤维的性能优势，保证良好的浸润性，保证碳纤维的伸直取向，在保证性能优良的情况下降低成本。

我国还需要进一步探索这种混杂技术。

图3 碳纤维用于叶片前后边缘和横梁碳纤维在风电叶片应用中的优势(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%。

Vesta Wind System公司的V90 3 Mw发电机的叶片长44m，采用碳纤维代替玻璃纤维的构件，叶片质量与该公司V80 2 MW发电机且为39米长的叶片质量相同。

同样是34m长的叶片，采用玻璃纤维增强聚脂树脂时质量5800kg，采用玻璃纤维增强环氧树脂时质量5200kg，而采用碳纤维增强环氧树脂时质量只有3800kg。

其他的研究也表明，添加碳纤维所制得的风机叶片质量比玻璃纤维的轻约32%，而且成本下降约16%[7]。

(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。

(3)提高叶片抗疲劳性能风机总是处在条件恶劣的环境中，并且24小时的处于工作状态。

这就使材料易于受到损害。

一般认为CFRP相比GFRP韧性较小，更具有脆性，但是相关研究表明，当碳纤维与树脂材料混合时，通过一定的复合加工成型工艺，以及生产质量的控制和叶片结构和几何形状的优化，就可以保证叶片的寿命要求，能够满足在恶劣气候环境状况下的正常工作。

(4)可制造低风速叶片碳纤维的应用可以减少负载和增加叶片长度，从而制造适合于低风速地区的大直径风叶，使风能成本下降。

(5)可制造自适应叶片叶片装在发电机的转轮上，叶片的角度可调。

目前主动型调节风机的设计风速为13 to15m/s，当风速超过时，则调节风叶斜度来分散超过的风力，防止对风机的损害。

斜度控制系统对逐步改变的风速是有效的，但对狂风的反应太慢了，自适应的各向异性叶片可帮助斜度控用系统(thepitch control system)，在突然的、瞬间的和局部的风速改变时保持电流的稳定。

自适应叶片充分利用了纤维增强材料的特性，能产生非对称性和各向异性的材料，采用弯曲/扭曲叶片设计，使叶片在强风中旋转时可减少瞬时负载。

美国Sandia National Laboratories致力于自适应叶片的研究，使1.5MW的风机发电成本降到4.9美分/(kW·h)，价格可和燃料发电相比[8](6)利用导电性能避免雷击利用碳纤维的导电性能，通过特殊的结构设计，可有效地避免雷击对叶片造成的损伤[9](8)具有振动阻尼特性。

碳纤维的振动阻尼特性可避免叶片自然频率与塔暂短频率间发生任何共振的可能性。

(7)降低风力机叶片的制造和运输成本由于减少了材料的应用，所以纤维和树脂的应用都减少了，叶片变得轻巧，制造和运输成本都会下降。

可缩小工厂的规模和运输设备。

4. 碳纤维应用的主要问题和解决途径碳纤维应用的缺陷：(1)昂贵的价格目前影响碳纤维在风电领域更进一步的碳纤维推广的主要因素是碳纤维自身的昂贵价格，以及他所带来的较低性价比。

在设计叶片的时候，只有超过一定尺寸后，因为材料用量下降，才能比玻纤叶片便宜。

目前采用碳纤维和玻璃纤维共混结构是一种比较好的办法，而且还综合了两种材料的性能。

另外一种方法是采用从沥青制造的成本较低的碳纤维，这种碳纤维的价格可以降到5美元/磅的心理价位。

(3)加工困难直径较小的碳纤维表面积较大，复合材料成型加工浸润比较困难。

由于碳纤维叶片一般采环氧树脂制造，想要通过降低环氧树脂制造的熟度而不降低它的力学性能是比较困难的，这也是一些厂家采用预浸料工艺的原因。