碳纤维复合材料在风力发电中的应用

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1、碳纤维复合材料在风力发电中的应用摘要：为了降低风电单位成本，风机功率不断提高，随之叶片长度也不断增加，使碳纤维在风电叶片中的应用成为必然。介绍了碳纤维在风电叶片上应用的优势和不足，以及解决的技术途径。关键词：风电机叶片；风力发电；碳纤维增强复合材料ABSTRACT：Inordertoreduceper-unitwindpowercost,turbinepoweriscontinuouslyrising,whichleadtobiggerbladelength,sotheapplicationofcarbonfiberinwindturbinebladeisinev

2、itable.Thispaperintroducestheadvantagesanddisadvantagesofcarbonfiberinwindturbineblade,andgivesthewaystosettlethem.KEYWORDS:windturbineblade;windpower;carbonfiberreinforcedcomposite1风力发电技术的发展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（表1）。随着现代风电技术的发展及日趋成熟，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。上世纪80

3、年代早期到中期，典型的风电机组单机容量仅20～60kW；90年代初期，增加到500kW；90年代中期，为750kW~1MW；90年代末，已达到2.5MW；目前世界平均单机容量为1MW，最大单机容量为5MW。预计2010年将开发出单机容量为10MW的风电机组。叶片是风力机的关键部件之一，涉及气动、复合材料结构、工艺等领域。叶片的长度和风机的功率成正比，风机功率越大，叶片越长。对于500kW~2.5MW的风力机，叶片长13.5~39.0m（丹麦LMGlasfiber公司制造）；660kW~1.65MW的风力机，叶片长23~39m（丹麦VestasWindSystems

4、AS制造）。在兆瓦级风电机组中，如1MW的叶片长31m，每片重约4~5t；1.5MW主力机型风力机叶片长34～37m，每片重约6t；目前商业化风力发电所用的电机容量一般为1.5~2.0MW，与之配套的复合材料叶片长度大约32~40m，重6~8t；现代的54m大型叶片重l3t。现今世界上最大5MW的风力发电机的叶片长61.5m，单片叶片的质量接近18t，旋转直径可达126.3m。表1不同风叶尺寸、风机功率下的风电成本对比表年份主力型号风机功率/kW风叶长度/m风电成本/(美元·(kW·h)-1)199220012.00.03199970022.0200090025.

5、00.0620051500-2500（陆基）35.0-45.00.0420053000-5000（海基）45.0-61.50.04叶片也是风机中成本最高的部件，虽然它的质量不到风机质量的15%。却占风机成本的15%～20%。风叶类似于航空叶片，要求提高“提升比”（Lift-to-dragratio），并且其提升特性不易受叶片表面污染和粗糙度影响。从结构考虑要求叶片有较厚的叶型。叶片要经受20a应用，以经受风力造成的疲劳次数达108（也有以500万次作标准）作标准。随着风机功率的增加，风叶尺寸也相应增加。表1所示为不同年份风机功率、风叶尺寸和风电价格的变化趋势[1-

6、3]。2碳纤维在风力发电机叶片中的应用当叶片长度增加时，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（图1），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。国外专家认为：“由于现有材料能很好满足大功率风力发电装置的需求，玻璃纤维复合材料性能已经趋于极限，因此，在发展更大功率风力发电装置和更长转子叶片时，

7、采用性能更好的碳纤维复合材料势在必行。”他们认为当风力机超过3MW、叶片长度超过40m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[4]。目前国外把碳纤维用于叶片制造的厂家主要有：（1）丹麦LMGlassfiber“未来”叶片家族中61.5m长、5MW风机的叶片在梁和根部都选用了碳纤维。（2）德国叶片制造商NordexRotor新制造的56m长，5MW风机叶片的整个梁结构也采用了碳纤维，他们认为叶片超过一定尺寸后，碳纤维叶片的制作成本并不比玻璃纤维的高。（3

8、）Vest