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风机叶片也能用碳纤维材料?不知道你就真的OUT了

日期:2019-06-25    来源:挪恩复材

国际新能源网

2019
06/25
13:45

关键词: 碳纤维复合材料 风力发电 风机叶片

  碳纤维是一种具有高强度、高模量纤维的含碳量在95%以上的新型纤维材料,它的强度要高于钢铁,但是质量却比金属铝轻,具有纤维柔软可加工性和强抗拉力。碳纤维复合材料则是利用树脂、陶瓷、金属等基体复合,制成结构材料,在很多要求高温、化学稳定性高的场合,或者对重量、密度、疲劳性等有严格要求的领域,经常会出现碳纤维复合材料。
 
  目前国内很多领域都有碳纤维复合材料的身影。例如在汽车领域,碳纤维复合材料就被使用在汽车车身、底盘、内饰等方面,在汽车轻量化方面,碳纤维复合材料也是替代传统金属材料的首选,挪恩就曾为国内汽车厂家定制了碳纤维复合材料汽车配件,根据厂家的反馈,使用传统金属材质的汽车车身重352kg,而使用碳纤维复合材料的汽车车身仅重180kg,减轻了约50%的车身重量。除了汽车领域,高端医疗、航空航天、机器人,包括风力发电机等都有使用碳纤维复合材料。
 
  风力发电机是一种将风能转换为机械功,机械功带动转子旋转,最终输出交流电的电力设备。风力发电机中最重要的就是风机叶片的选择,叶片材质对叶片综合性能的影响也是最为显著的,风机叶片材质从最初的木制叶片到布蒙皮叶片,再到金属叶片,最后变成现在的碳纤维复合材料叶片。根据权威机构发布的数据,2017年碳纤维第一大应用领域就是风电叶片,占据碳纤维需求总量的24%,剩下的按照消费量大小顺序为:航空航天、体育休闲、汽车工业、压力容器......
 
  碳纤维复合材料风机叶片与其它材质风机叶片相比具有明显的优势。例如碳纤维复合材料因为其自身高比模量高比强度,以及自重轻的优势,碳纤维复合材料风机叶片要比传统材质风机叶片重量轻约35%,这也使风力发电机的塔架、传动系统等减轻承重,延长使用寿命;碳纤维复合材料还具有优秀的振动阻尼特性,不仅不易起振,振动后也容易衰减停振,可以避免风机叶片的自然震动频率与其它的短暂震动频率。
 
  众所周知,风力发电机的工作场所在户外,面对风云变幻的户外环境,需要具有很长的使用寿命。碳纤维复合材料的疲劳强度非常高,在面对大气环境与大气紊乱造成的周期性载荷,都不会造成叶片的疲劳断裂,根据实验数据,碳纤维复合材料风机叶片的使用年限可达20年;超强的耐腐蚀性也让碳纤维复合材料风机叶片面对沿海地区或酸碱环境时,同样从容不迫。
 
  截至到2017年,全球风电装机容量接近5000亿MW,风力发电占据世界总发电量的12%,并且此数据每年还在以极快的速度增长;2018年全球碳纤维复合材料风机叶片市场需求量约为2.4吨,预计2020年将会超过3万吨;在风机叶片尺寸方面,从1990年的25m增长至2016年的190m,超长的叶片对材料的强度和钢度都提出了更高的要求。
 
  以上数据也在说明当前的风力发电机正在朝着轻量化、大型化的方向发展,传统材质已经无法满足风机叶片的要求。虽然碳纤维复合材料风机叶片还具有成本高和制作工艺高等缺点,但是众多复合材料方面的专家一直都在攻克这些难题,挪恩也同样致力于碳纤维增强复合材料的技术研究和应用开发,并且还聘请了日本名古屋大学、东京大学教授做技术顾问,为客户提供从产品概念设计、结构设计、材料设计、工艺设计、模拟仿真计算、批量化制造的先进复合材料解决方案,相信在众多新材料人的努力之下,碳纤维复合材料将会造福更多的人。
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