碳纖維在風電葉片中的應用

　　1.風力發(fā)電技術的發(fā)展

　　風電的價格和風機功率成反比，風機率越大，單位發(fā)電成本越低（表l）。隨著現(xiàn)代風電技術的發(fā)展與日趨成熟，風力發(fā)電機組的技術沿著增大單機容量、減輕單位千瓦重量、提高轉(zhuǎn)換效率的方向發(fā)展。上世紀80年代早期到中期，典型的風電機組單機容量僅20～60kw；從80年代末期到90年代初期，風電機組單機容量從100kw增加到達500kw；到90年代中期，典型的風電機組單機容量為750-1MW；到90年代末，風電機組單機容量已經(jīng)達到2.5MW；目前已達3.5MW以上，世界平均單機容量為1Mw，最大單機容量為5Mw。預計2010年將開發(fā)出10MW的風電機組。

　　葉片是風力機的關鍵部件之一，涉及氣動、復合材料結(jié)構、工藝等領域。葉片的長度和風機的功率成正比，風機功率越大，葉片越長。對于500kw-2.5MW的風力機，葉片長13.5－39米（丹麥LM Glasfiber公司制造）；660kw-1.65MW的風力機，葉片長23－39米（丹麥 Vestas Wind SystemsAS制造）。在兆瓦級風電機組中，如1MW的葉片長31米，每片重約4-5t；1.5MW 主力機型風力機葉片長34～37m， 每片重約6t；目前商業(yè)化風力發(fā)電所用的電機容量一般為1.5—2.0MW，與之配套的復合材料葉片長度大約32—40米，重6-8t；現(xiàn)代的54m大型葉片重13t?，F(xiàn)今世界上最大5MW的風力發(fā)電機的葉片長61.5米，單片葉片的重量接近18 t，旋轉(zhuǎn)直徑可達126.3米。

　　葉片也是風機中成本最高的部件，雖然它的重量不到風機重量的15％。Peter Jamieson認為風葉成本約占風電成本的10％。 風葉類似于航空葉片，要求提高提升比（Lift－to－drag ratio），并且其提升特性不易受葉片表面污染和粗糙度影響。從結(jié)構考慮要求葉片有較厚的葉型。葉片要經(jīng)受20年應用，以受風力造成的疲勞次數(shù)達10（也有以500萬次作標準）。隨著風機功率的增加，風葉尺寸也相應增加。表1所示為不同年份風機功率、風葉尺寸和風電價格的變化趨勢。

　　2.碳纖維在風力發(fā)電機葉片中的應用

　　當葉片長度增加時，重量的增加要快于能量的提取，因為重量的增加和風葉長度的立方成正比（圖1），而風機產(chǎn)生的電能和風葉長度的平方成正比。同時隨著葉片長度的增加，對增強材料的強度和剛度等性能提出了新的要求，玻璃纖維在大型復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，又要滿足強度與剛度要求，有效的辦法是采用碳纖維增強。國外專家認為，由于現(xiàn)有材料性不能很好滿足大功率風力發(fā)電裝置的需求，玻璃纖維復合材料性能已經(jīng)趨于極限，因此，在發(fā)展更大功率風力發(fā)電裝置和更長轉(zhuǎn)于葉片時，采用懺能更好的碳纖維復合材料是勢在必行。根據(jù)國外有關資料報道，當風力機超過3MW、葉片長度超過40米時，在葉片制造時采用碳纖維已成為必要的選擇。事實上，當葉片超過一定尺寸后，碳纖維葉片反而比玻纖葉片便宜，因為材料用量、勞動力、運輸和安裝成本等都下降了。

　　國外碳纖維用于葉片制造的廠家主要有

　　＊ 丹麥LM Glassfiber“未來”葉片家族中61.5米長、5MW風機的葉片在梁和端部都選用了碳纖維；

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