葉片是風(fēng)力機的關(guān)鍵部件之一，涉及氣動(dòng)、復合材料結構、工藝等領(lǐng)域。葉片的長(cháng)度和風(fēng)機的功率成正比，風(fēng)機功率越大，葉片越長(cháng)。對于500kw-2.5MW的風(fēng)力機，葉片長(cháng)13.5－39米（丹麥LM Glasfiber公司制造）；660kw-1.65MW的風(fēng)力機，葉片長(cháng)23－39米（丹麥 Vestas Wind SystemsAS制造）。在兆瓦級風(fēng)電機組中，如1MW的葉片長(cháng)31米，每片重約4-5t；1.5MW 主力機型風(fēng)力機葉片長(cháng)34～37m，  每片重約6t；目前商業(yè)化風(fēng)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(cháng)度大約32—40米，重6-8t；現代的54m大型葉片重13t?，F今世界上最大5MW的風(fēng)力發(fā)電機的葉片長(cháng)61.5米，單片葉片的重量接近18 t，旋轉直徑可達126.3米。

    葉片也是風(fēng)機中成本最高的部件，雖然它的重量不到風(fēng)機重量的15％。Peter Jamieson認為風(fēng)葉成本約占風(fēng)電成本的10％。 風(fēng)葉類(lèi)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(fēng)力造成的疲勞次數達10（也有以500萬(wàn)次作標準）。隨著(zhù)風(fēng)機功率的增加，風(fēng)葉尺寸也相應增加。表1所示為不同年份風(fēng)機功率、風(fēng)葉尺寸和風(fēng)電價(jià)格的變化趨勢。風(fēng)電材料設備
    2.碳纖維在風(fēng)力發(fā)電機葉片中的應用
    當葉片長(cháng)度增加時(shí)，重量的增加要快于能量的提取，因為重量的增加和風(fēng)葉長(cháng)度的立方成正比（圖1），而風(fēng)機產(chǎn)生的電能和風(fēng)葉長(cháng)度的平方成正比。同時(shí)隨著(zhù)葉片長(cháng)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出性能方面的不足。為了保證在極端風(fēng)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(mǎn)足強度與剛度要求，有效的辦法是采用碳纖維增強。國外專(zhuān)家認為，由于現有材料性不能很好滿(mǎn)足大功率風(fēng)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(fēng)力發(fā)電裝置和更長(cháng)轉于葉片時(shí)，采用懺能更好的碳纖維復合材料是勢在必行。根據國外有關(guān)資料報道，當風(fēng)力機超過(guò)3MW、葉片長(cháng)度超過(guò)40米時(shí)，在葉片制造時(shí)采用碳纖維已成為必要的選擇。事實(shí)上，當葉片超過(guò)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(dòng)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(chǎng)家主要有：
    ＊ 丹麥LM Glassfiber“未來(lái)”葉片家族中61.5米長(cháng)、5MW風(fēng)機的葉片在梁和端部都選用了碳纖維；
    ＊ 德國葉片制造商Nordex Rotor新制造的56米長(cháng)，5MW風(fēng)機葉片的整個(gè)梁結構也采用了碳纖維，他們認為葉片超過(guò)一定尺寸后，碳纖維葉片的制作成本并不比玻纖的高；

    ＊ Vestas Wind System 在他們制造的44米長(cháng)、V-90 3.0 MW風(fēng)電機中的葉片的梁采用了碳纖維。2004年12月Zoltek Companies Inc．宣布與Vestas wind Systems AS公司訂立長(cháng)期戰略合同，在前三年提供價(jià)值8千萬(wàn)到1億美元的碳纖維用于制造風(fēng)機葉片；Zoltek Companies Inc在股東大會(huì )上宣布對NEG Micon的碳纖維合同將從每年150噸增加一倍。同時(shí)每年分別向Vestas和Ganesa各提供1000噸，所用牌號為Panex33 48K；
    ＊ 西班牙Gamesa在他們旋轉直徑為87米（G87）和90米（G90）2MW的風(fēng)機的葉片中采用了碳纖維／環(huán)氧樹(shù)脂預浸料，G90葉片長(cháng)44米，質(zhì)量約7t。
    ＊ NEG Micon在40米的葉片中采用了碳纖維增
    ＊ 德國Enercon GmbH在他們的大型葉片的制造中也使用了碳纖維。

    華盛頓的Kirkland公司收到美國能源部（U.S.Department of Energy ）的75萬(wàn)美元，作為研發(fā)資金，和TPI Composites公司合作，發(fā)展碳纖維風(fēng)機葉片，以求得最大的能量獲得，同時(shí)減輕風(fēng)機的負載。方案通過(guò)對30-35m長(cháng)葉片的設計，制造和測試以證明先進(jìn)的碳纖維混編設計的商業(yè)可能性。碳纖維在風(fēng)葉中的應用逐年在增加（圖2）

     

　　3.碳纖維在風(fēng)力發(fā)電機葉片中應用的主要部位
    由于碳纖維比玻纖昂貴，采用百分之百的碳纖維制造葉片從成本上來(lái)說(shuō)是不合算的。目前國外碳纖維主要是和玻纖混和使用，碳纖維只是用到一些關(guān)鍵的部分。碳纖維在葉片中應用的主要部位有（圖3和圖4）：
    ＊ 橫梁（Spar），尤其是橫梁蓋（Spar Caps）。
    ＊ 前后邊緣，除了提高剛度和降低質(zhì)量外，還起到避免雷擊對葉片造成的損傷（專(zhuān)利 US6457943BI），如圖3中涂黑的部分采用碳纖維。（專(zhuān)利 EP1485611）
    ＊ 葉片的表面，采用具有高強度特性的碳纖維片材（日本專(zhuān)利JP2003214322）。

      

   4.碳纖維在風(fēng)力發(fā)電機葉片中應用的優(yōu)勢
    碳纖維的應用優(yōu)勢：
   （1）提高葉片剛度，減輕葉片重量

    碳纖維的密度比玻璃纖維小約30％，強度大40％，尤其是模量高3至8倍。大型葉片采用碳纖維增強可充分發(fā)揮其高彈輕質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。荷蘭戴爾弗理工大學(xué)研究表明，一個(gè)旋轉直徑為120米的風(fēng)機的葉片，由于梁的質(zhì)量超過(guò)葉片總質(zhì)量的一半，梁結構采用碳纖維，和采用全玻纖的相比，重量可減輕40％左右；碳纖維復合材料葉片剛度是玻璃纖維復合材料葉片的兩倍。據分析，采用碳／?；祀s增強方案，葉片可減重20～30％Vesta Wind System公司的V90 3 Mw發(fā)電機的葉片長(cháng)44m，采用碳纖維代替玻璃纖維的構件，葉片質(zhì)量與該公司V80 2 MW 發(fā)電機且為39米長(cháng)的葉片質(zhì)量相同。同樣是34m長(cháng)的葉片，采用玻璃纖維增強聚脂樹(shù)脂時(shí)質(zhì)量5800kg，采用玻璃纖維增強環(huán)氧樹(shù)脂時(shí)質(zhì)量5200kg，而采用碳纖維增強環(huán)氧樹(shù)脂時(shí)質(zhì)量只有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纖維所制得的風(fēng)機葉片質(zhì)量比玻璃纖維的輕約32％，而且成本下降約16％。表2所示為玻纖和碳纖及復合材料性能比較。圖5為完全碳纖維葉片和目前歐洲商業(yè)化的葉片重量比較。

     

   （2）提高葉片抗疲勞性能 
    風(fēng)機總是處在條件惡劣的環(huán)境中，并且24小時(shí)的處于工作狀態(tài)。這就使材料易于受到損害。相關(guān)研究表明，碳纖維合成材料具有出眾的抗疲勞特性，當與樹(shù)脂材料混合時(shí)，則成為了風(fēng)力機適應惡劣氣候條件的最佳材料之一。
   （3）使風(fēng)機的輸出功率更平滑更均衡，提高風(fēng)能利用效率
    使用碳纖維后，葉片重量的降低和剛度的增加改善了葉片的空氣動(dòng)力學(xué)性能，減少對塔和輪軸的負載，從而使風(fēng)機的輸出功率更平滑和更均衡，提高能量效率。同時(shí)，碳纖維葉片更薄，外形設計更有效，葉片更細長(cháng)，也提高了能量的輸出效率。
   （4）可制造低風(fēng)速葉片

   碳纖維的應用可以減少負載和增加葉片長(cháng)度，從而制造適合于低風(fēng)速地區的大直徑風(fēng)葉，使風(fēng)能成本下降。
   （5）可制造自適應葉片
    葉片裝在發(fā)電機的輪輪上，葉片的角度可調。目前主動(dòng)型調節風(fēng)機（active utility－size wind turhines）的設計風(fēng)速為13 to 15m／sec（29 to 33mph），當風(fēng)速超過(guò)時(shí)，則調節風(fēng)葉斜度來(lái)分散超過(guò)的風(fēng)力，防止對風(fēng)機的損害。斜度控制系統對逐步改變的風(fēng)速是有效的。但對狂風(fēng)的反應太慢了，自適應的各向異性葉片可幫助斜度控用系統（the pitch control system），在突然的、瞬間的和局部的風(fēng)速改變時(shí)保持電流的穩定。自適應葉片充分利用了纖維增強材料的特性，能產(chǎn)生非對稱(chēng)性和各向異性的材料，采用彎曲／扭曲葉片設計，使葉片在強風(fēng)中旋轉時(shí)可減少瞬時(shí)負載。美國Sandia National Laboratories致力于自適應葉片（“adzptive”blade）研究，使1.5W風(fēng)能從每kwh5美分降到4.9分，價(jià)格可和燃料發(fā)電相比。

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   （6） 利用導電性能避免雷達擊
    利用碳纖維的導電性能，通過(guò)特殊的結構設計，可有效地避免雷擊對葉片造成的損傷。
   （7） 降低風(fēng)力機葉片的制造和運輸成本
    由于減少了材料的應用，所以纖維和樹(shù)脂的應用都減少了，葉片變得輕巧，制造和運輸成本都會(huì )下降?？煽s小工廠(chǎng)的規模和運輸設備。
   （8）具有振動(dòng)阻尼特性。碳纖維的振動(dòng)阻尼特性可避免葉片自然頻率與塔暫短頻率間發(fā)生任何共振的可能性。
    5.碳纖維應用的主要問(wèn)題和解決途徑
    碳纖維應用的缺陷：
   （1）碳纖維是一種昂貴纖維材料，在碳纖維應用過(guò)程中，價(jià)格是主要障礙，另外，性?xún)r(jià)比影響了它在風(fēng)力發(fā)電上的大范圍應用。必須當葉
片超過(guò)一定尺寸后，因為材料用量下降，才能比玻纖葉片便宜。目前采用碳纖維和玻璃纖維共混結構是一種比較好的辦法，而且還綜合了兩種材料的性能。另外一種方法是采用從瀝青制造的成本較低的碳纖維，這種碳纖維的價(jià)格可以降到5美元/lb 的心理價(jià)位。
   （2）CFRP比GFRP更具脆性，一般被認為更趨于疲勞，但是研究表明，只要注意生產(chǎn)質(zhì)量的控制以及材料和結構的幾何條件，就可足以保證長(cháng)期的耐疲勞。

   （3）直徑較小的碳纖維表面積較大，復合材料成型加工浸潤比較困難。由于碳纖維叫、片一般采川環(huán)氧樹(shù)脂制造，要通過(guò)降低環(huán)氧樹(shù)脂制造的熟度而不降低它的力學(xué)性能是比較困難的，這也是一些廠(chǎng)家采用預浸料工藝的原因。此外碳纖維復合材料的性能受工藝眼影響敏感（如鋪層方向），對工藝要求較高。 
   （4）碳纖維復合材料透明性差，難以進(jìn)行內部檢查。 
    但碳纖維在大型葉片中的應用已成為一種不可改變的趨勢。目前，全球各大葉片制造商正在從原材料、工藝技術(shù)、質(zhì)量控制等各方面進(jìn)行深入研究，以求降低成本，使碳纖維能在風(fēng)力發(fā)電上得到更多的應用?？赏ㄟ^(guò)如下的途徑來(lái)促進(jìn)碳纖維在風(fēng)力發(fā)電中的應用： 
   （1）葉片尺寸越大，相對成本越低。因此對于3MW（40m）以上，尤其是5MW以上的產(chǎn)品。目前大規模安裝的2.5-3.5MW機組采用了輕質(zhì)、高性能的玻璃纖維葉片，設計可靠，市場(chǎng)競爭力強，下一代5-10MW風(fēng)力機的設計將更多的采用碳纖維。 
   （2）采用特殊的織物混編技術(shù)。根據葉片結構要求，把碳纖維鋪設在剛度和強度要求最高的方向，達到結構的最優(yōu)化設計。如TPI公司采用碳纖維織物為800g 三軸 向織物（triaxial fabric），由一層500g0°T－600碳纖維夾在兩層150g成土45°的玻纖織物內。對于原型葉片中，碳纖維成20°，玻纖層的三軸向織物為土65°and-25°，這種方向的鋪層可充分地控制剪切負載。旋轉織物意味著(zhù)織物邊沿和葉片方向成20°角，逐步地引入旋轉耦合部件（the twist-coupling component）。 
   （3）采用大絲來(lái)碳纖維。碳纖好牛產(chǎn)成本高，特別是高性能的碳纖維生產(chǎn)成本生高，而葉片生產(chǎn)中，采用大絲束碳纖維可達到降低生產(chǎn)成本的目的。如一種新型丙烯酸碳纖維（美國專(zhuān)利 US6103211申請人：TORAY INDUSTRIES（JP））該發(fā)明的目的在于提供一種高強度的碳纖維，所述的碳纖維主要包括大量的滿(mǎn)足下列關(guān)系式的細纖維：sigma＞／＝11.l－0.75d，其中的sigma指碳纖維抗張強度，d指細纖維的平均直徑。這種碳纖維適用于風(fēng)力機葉片材料等與能源相關(guān)的設備，或者作為道路、大橋的加強結構層。 
   （4）采用新型成型加工技術(shù)，如VARTM和Light－RTM技術(shù)。 
    在目前的生產(chǎn)中，須浸料和真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑工藝已成為兩種最常用替代濕法鋪層技術(shù)；對于40m以上葉片，大多數制造商采用VARTM 技術(shù)。但VESTAS和GAMESA仍使用預浸料工藝。技術(shù)關(guān)鍵是控制樹(shù)脂粘度、流動(dòng)性、注入孔設計和減少材料孔隙率。 
    在大型葉片制造中，由于碳纖維的使用，聚酯樹(shù)脂已被環(huán)氧樹(shù)脂來(lái)替代；利用大然纖維-熱塑性樹(shù)脂制造的“綠色葉片”近年來(lái)也倍受 
重視，如愛(ài)爾蘭的Gnth公司已負責制造12.6米長(cháng)的熱塑性復合材料葉片，Mitsubishi（三菱）公司將負責在風(fēng)力發(fā)電機上進(jìn)行“綠色葉片的試 
驗”。如果試驗成功后，他們將繼續研究開(kāi)發(fā)30米以上的熱塑性復合材料標準葉片。 
    為了降低模具成本，減輕模具重量，大型復合材料葉片的制造模具也逐漸由金屬模具向著(zhù)復合材料模具轉變，這也意味著(zhù)復合材料葉片可以做得更長(cháng)。另外，由于模具與葉片采用了相同的材料，模具材料的熱膨脹系數與葉片材料基本相同，制造出的復合材料葉片的精度和尺寸穩定性均優(yōu)于金屬模具制造的葉片產(chǎn)品。