综 述 ＦｉｂｅＰｇ｜ａ ｓ 闻笔荣，等：风力发电机碳纤维叶片的发展现状
中图分类号：ＴＱ３４２ ．７４２ 文献标识码：Ａ 风力发电机碳纤维叶片的发晨现状
闻笔荣 ，周诚 （１．广东明阳风电产业集团有限公司，中山５２８４３７； ２．中材科技股份有限公司，南京２１１１１２）
摘要：介绍了碳纤维在风力发电机中的应用，通过测试对比其应用优势，研究了碳纤维复合材料方向性问题以及碳纤维叶 片的避雷问题。简述了碳纤维在风力发电机上的应用趋势，以及碳纤维目前存在的难点及解决方案。 关键词：风电发电；碳纤维叶片；碳纤维增强复合材料
Ｔｈｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｂｌａｄｅｓ ＷＥＮ Ｂｉｒｏｎｇ ，ＺＨＯＵ Ｃｈｅｎｇ （１．Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｍｉｎｇｙａｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｚｈｏｎｇｓｈａｎ ５２８４３７； ２．Ｓｉｎｏｍａ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｎａｎｊｉｉｎｇ ２１００１２）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｉｎ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｂｌａｄｅｓ，ｃｏｍｐａｒｅｓ ｉｔｓ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｗｉｔｈ ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ ｂｙ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ，ａｎｄ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ａｎｄ ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｂｌａｄｅｓ．Ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｄ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｂｒｉｅｆｓ ｔｈｅ ｔｅｎｄｅｎｃｙ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅｓ，ａｎｄ ｓｔａｔｅｓ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ ｆｏｒ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ａｎｄ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｂｌａｄｅ；ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ
０前言 风电的价格和风机功率成反比，风机功率越大，单 位发电成本越低。风机的输出功率Ｐ与风轮直径Ｄ的 平方成正比，即Ｐ＝０．３×Ｄ 。增加风轮直径，风机输 出功率将按指数函数增加。随着现代风电技术的发展
收稿日期：２０１４一Ｏ１—０８ 修回日期：２０１４～０７—０８ 作者简介：闻笔荣，男，１９８７年，叶片测试主任，助理工程师。主要 从事碳纤维应用、发泡塑料应用、叶片全尺寸测试研究。
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及日趋成熟，风力发电机组研究沿着增大单机容量、减 轻单位千瓦质量、提高转换效率的方向发展 。 随着叶片长度的增加，对材料的强度和刚度等 性能提出了新的要求。为了保证在极端风载下叶尖 不碰塔架（塔架净空标准），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 。 闻笔荣，等：风力发电机碳纤维叶片的发展现状 ｌ碳纤维的应用 由于碳纤维价格比玻纤昂贵，采用１００％的碳 纤维制造叶片成本过高，目前国内外主要是碳纤和 玻纤混合使用。纯碳纤维只是用到一些关键的部 分：如图１所示的主梁帽、前后边缘、叶片根部，其他 部分使用玻璃纤维及其他复合材料制作。
碳纤维 图１碳纤维在叶片中的应用
２碳纤维的性能优势 ２．１ 材料及仪器 碳纤维预浸料：Ｈｅｘｐｌｙ Ｍ９１，５００ ｇ／ｍ ，美国赫氏 公司； Ｅ一玻纤单向布：ＯＶＣ ＥＫＴ１２５０，１ ２５０ ｇ／ｍ。，美 国欧文斯科宁公司； 环氧树脂：ＲＩＭＲ１３５／ＲＩＭＨ１３７，美国迈图高新 材料集团； Ｚｗｉｃｋ万能拉力机：德国Ｚｗｉｃｋ公司。 ２．２试样制备及测试 图２为层压板铺设要求。
１．工作台；２．脱模剂；３．脱模布；４．纤维铺层； ５．导流网；６．导气毡；７．真空袋膜；８．导气管； ９．真空抽气管。
图２层压板铺设要求 玻璃纤维ＯＶＣ ＥＫＴ１２５０按照图２要求完成铺 设，使用环氧树脂ＲＩＭＲｌ３５／ＲＩＭＨｌ３７进行灌注，保 证真空压力在一９２ ５００ Ｐａ，按照８０℃在４ ｈ固化，制
Ｆ｛ｂｅ 述 作ＦＲＰ试验层压板。 碳纤维Ｈｅｘｐｌｙ Ｍ９１按照图２要求完成铺设，保 证真空压力在～９２ ５００ Ｐａ，按照８０℃在８ ｈ固化，制 作ＣＦＲＰ试验层压板。 ２．３ 测试结果 测试结果如表１所示。 表１碳纤维与玻璃纤维性能对比
从表１中可以看出，碳纤维预浸料与Ｅ一玻 纤单向布的玻璃化转变温度以及纤维体积含量 近似，在０。拉伸及压缩性能方面，碳纤维预浸料 要明显优于Ｅ一玻纤单向布，但是碳纤维预浸料 的９０。拉伸模量却远低于Ｅ一玻纤单向布，说明 碳纤维复合材料的性能具有极强的方向性，适用 于只受拉压力的部件，所以在叶片结构部位使用 碳纤维能有效的增加叶片的刚度，减轻叶片 质量 。
３碳纤维的优化效果 碳纤维的优化效果如表２所示。 从表２我们可以看出，这些产品只在一些关键 部位采用了碳纤维就可以达到在叶片长度相同甚至 超过的情况下，碳纤维叶片的质量大小仍远低于玻 璃纤维叶片。说明碳纤维应用确实可行，且十分 有效。
《玻璃纤维》２０１４年第４期４３ 综 述 ｒｇｌａｓｓ 闻笔荣，等：风力发电机碳纤维叶片的发展现状
４碳纤维的应用趋势 在现阶段，全球主流的风机制造商都推出了各 自的碳纤维叶片（见表３），说明随着风机的大型化，
碳纤维在风力发电机上的使用是一种必然的趋势。 表２叶片质量对比 玻璃纤维叶片 碳纤维叶片 生产商 产品规格／ＭＷ 长度／ｍ 质量／ｔ 生产商 产品规格／ＭＷ 长度／ｍ 质量／ｔ Ｅｎｅｒｃｏｎ ４．５ ５４．０ ２０．０ ＬＭ ５．Ｏ ６１．Ｏ ｌ８ Ｇａｍｅｓａ ２．０ ３９．Ｏ ７．３ Ｇａｍｅｓａ ２．０ ４４．０ ５．８ Ｖｅｓｔａｓ ２．０ ３９．０ ６．０ Ｖｅｓｔａｓ ３．０ ４＿４．０ ６．０ 联众 １．５ ３７．５ ５．８ 联众 ２．０ ３９．２ ５．８ 明阳 ３．０ ５３．５ １６．０ 明阳 ３．０ ５８．５ １４．０
表３将碳纤应用于叶片制造的厂家情况
从表３可以看出，从１．５ ＭＷ至６ ＭＷｎｆ片均有 应用，且采用了相似的设计制造方案：在制造过程 中，主梁帽用碳纤维预浸料。固化后，主梁帽放在一 个预成型物中，在玻纤叶片蒙皮中进行灌注。
５碳纤维应用的难点 ５．１ 工艺要求高 （１）碳纤维丝的直径较小，但是表面积较大，材 料孑Ｌ隙率低，树脂流动性差，所以浸润性较差。树脂 灌注过程中容易出现干丝，缺胶的现象，且不易 修补。 （２）碳纤维的方向性强，柔韧性较差，很难制作
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复杂曲面，纤维变形后，性能下降严重。 （３）ＣＦＲＰ的透明性差，很难直接对产品的内部 缺陷进行检测。 （４）碳纤维的运输、保存、使用过程中对于环境 温度、湿度的要求较高 。 ５．２ 叶片的雷电防护 由于碳纤维是导体，所以叶片的防雷系统涉及 到一些复杂的情况。 如图３所示玻璃纤维叶片遭受雷击的区域一般 集中在叶尖吸力面，而损坏常常发生在前缘和后缘。 然而如图４所示对无防护的碳纤维叶片损坏却常常 发生在梁帽，因为碳纤维所制成的梁帽是导电的。 ＬＭ公司对碳纤维叶片样本进行的高压冲击实验表 明虽然碳纤维是传统意义上的半导体材料（因此电 阻是金属的许多倍），但是被雷电击中的频率与实际 的雷电接受器一样。
图３玻璃纤维叶片雷击的破损部位 闻笔荣，等：风力发电机碳纤维叶片的发展现状 氆 图４碳纤维叶片雷击的破损位置
Ｆｉｂｅｒｇ｜ 窒 述
５．３碳纤维供货不稳定 如图５所示，目前全球碳纤维的主要生产厂家 有东丽、东邦、三菱、赫氏（ＨＥＸＣＥＩ ）、卓尔泰克 （ＺＯＬＴＥＫ）、台塑等。
人丝束碳纤维制造商 （Ｚｏｌｔｅｋ、Ｆｏｒｔａｆｉｌ、Ａｌｄｉｌａ三家 其他制造商，４．３％
图５全球碳纤维产能分布 由于高性能碳纤维的生产都在国外，所以碳纤 维的采购周期都比较长，且供应不稳定，受到很多外 来因素的影响对于国内公司的生产安排有不利 影响。
６相关难点的解决方案 （１）采用４８Ｋ大丝束碳纤维预浸料。大丝束碳 纤维的价格低于小丝束碳纤（２４Ｋ）的价格，而且性 能能够满足叶片的要求，并且大丝柬碳纤维的树脂 浸润性要优于小丝束碳纤维，既能降低成本，也解决 树脂灌注问题． （２）采用碳纤维预浸料。能够有效解决树脂灌 注的Ｔ艺问题，但是对于操作有一定的要求，必须保 证每层预浸料之间做到完全贴合，没有气泡和其他 杂质等，否则就会造成梁帽质量缺陷。 （３）提高生产条件，保证碳纤维的运输、存放和 使用的需要。 （４）研发新型的叶片整体防雷方案，例如图６ 所示的叶片壳体表面整体接闪系统。 本东邝集团公 ｄ，１７％ ｌｌ ｒｌＩ－梭Ｉ Ｊ，ｌ器１－． 时‘尖接『＾】器 图６叶片表面整体接闪 （５）加快原材料的围产化。 导电链 ７ 结论 碳纤维在以下方面有较好表现： （１）在满足刚度和强度要求的条件下，比玻璃 纤维叶片轻３０％以上。 （２）可以采用气动效率更高的薄翼型，提高风 能利用率和年发电量。 （３）综合风力发电成本降低（安装运输成本相 对降低、对机组相关部件的强度和刚度要求降低、风 力发电机组的整体性能提高、定期检修、维护成本降 低）。
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