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碳纤维复合材料在风电叶片中应用的特点

国际新能源网  来源:严说一点  日期:2019-01-08
  碳纤维是一种力学性能优异的新材料,具有强抗拉力和可加工性两大特征。碳纤维拉伸强度一般都在3500MPa以上,是钢的7-9倍,拉伸模量在200-700GPa,同样高于钢,而其密度只有钢的1/4,比强度是钢的20倍,所以碳纤维构件制品具有强度高、重量轻、模量高、刚度大的特性,具有良好的可塑性。
 
  碳纤维还具有良好的耐疲劳性、耐腐蚀性、X射线穿透性、导电性及导热性等优越的性能。正因为有上述的优点,碳纤维及其复合材料中有广阔的应用前景。
 
  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。叶片也是风机中成本最高的部件,占风机成本的20%甚至以上。 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。 而且叶片要经受 20年的应用,以经受风力造成的疲劳次数达 10的8次方(也有以 500 万次作标准)作标准。
 
  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,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。
 
  中复集团的陈虹,详细研究过碳纤维复合材料应用后,不同长度叶片的轻量化效果和成本情况。
 
  国外专家认为:“由于现有材料不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,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。
 
  总结下来,碳纤维及复合材料在叶片中应用,有以下的优点。
 
  碳纤维复合材料用于风机叶片的优点
 
  1、重量轻:在满足刚度和强度要求的条件下,比玻纤叶片轻20%以上
 
  —低负荷
 
  —更轻的变桨轴承、偏航系统、风机轮毂、塔筒
 
  —更易操作,运输及吊装
 
  —减少组件大小、重量、成本
 
  2、扰度更小,机翼部分更薄:
 
  —机翼气动效率更高,提高风能利用率和年发电量
 
  —动力问题少
 
  —预弯少,垂悬部分小
 
  提高叶片抗疲劳性能,可制造低风速叶片,可制造自适应叶片,利用导电性能避免雷击,具有振动阻尼特性。
 
  碳纤维的应用优势非常明显,但早期一直没能得到很好的推广,主要是因为碳纤维价格高、制品工艺复杂,收到极大的影响。
 
  维斯塔斯开发出碳纤维拉挤工艺制作叶片大梁,开发成功后,开始大规模推广,目前该公司兆瓦级以上风机叶片都使用碳纤维复合材料,极大的推动了碳纤维在风电领域的应用,2016年全球碳纤维用量首次超过航空航天,成为碳纤维用量最大的领域,2017年风电使用的碳纤维2万4千多吨,维斯塔斯一家用量就在2万吨左右。这个现象不仅引起其他风电企业的重视,也为碳纤维产业的发展,特别是碳纤维在工业领域的应用提供了指导!
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