碳纖維複合材料在風力發電機葉片中的應用

風電的價格和風機功率成反比，風機功率越 大，單位發電成本越低（表1）。隨著現代風電技術的發展及日趨成熟，風力發電機組研究沿著增大單機容量、減輕單位千瓦質量、提高轉換效率的方向發展。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；90年代初期，增加到500kW； 90年代中期，為750kW——1MW；90年代末，已達到 2.5MW；目前世界平均單機容量為1MW，最大單機容量為5MW。預計2010年將開發出單機容量為10MW的風電機組。

葉片是風力機的關鍵部件之一，涉及氣動、複合材料結構、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。對於500kW~ 2.5MW的風力機，葉片長13.5~39.0m（丹麥LMGlasfiber公司製造）；660kW~1.65MW的風力機，葉 片長23~39m（丹麥VestasWindSystemsAS製造）。在兆瓦級風電機組中，如1MW的葉片長31m，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；目前商業化風力發電所用的電機容量一般為1.5~2.0MW，與之配套的複合材料葉片長度大約32~40m，重6~8t；現代的54m大型葉片重l3t。現今世界上最大5MW的風力發電機的葉片長61.5m，單片葉片的質量接近18t，旋轉直徑可達126.3m。 葉片也是風機中成本最高的部件，雖然它的質量不到風機質量的15%。卻占風機成本的15%~20%。風葉類似於航空葉片，要求提高「提升比」（Lift-to-dragratio），並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。葉片要經受20a應用，以經受風力造成的疲勞次數達108（也有以500萬次作標準）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。

當葉片長度增加時，質量的增加要快於能量的提 取，因為質量的增加和風葉長度的立方成正比（圖1），而風機產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，玻璃纖維在大型複合材料葉片製造中逐漸顯現出性能方面的不足。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。減輕葉片的質量，又要滿足強度與剛度要求，有效的辦法是採用碳纖維增強。國外專家認為：「由於現有材料不能很好滿足大功率風力發電裝置的需求，玻璃纖維複合材料性能已經趨於極限，因此，在發展更大功率風力發電裝置和更長轉子葉片時，採用性能更好的碳纖維複合材料勢在必行。」他們認為當風力機超過3MW、葉片長度超過40m時，葉片製造時採用碳纖維已成為必要的選擇。事實上，當葉片超過一定尺寸後，碳纖維葉片反而比玻璃纖維葉片便宜，因為材料用量、勞動力、運輸和安裝成本等都下降了。

圖1 商業葉片質量與旋轉半徑之間的變化趨勢

目前國外把碳纖維用於葉片製造的廠家主要有：

葉片製造廠家

（1）丹麥LMGlassfiber「未來」葉片家族中61.5m長、5MW風機的葉片在梁和根部都選用了碳纖維。

（2）德國葉片製造商NordexRotor新製造的56m長，5MW風機葉片的整個梁結構也採用了碳纖維，他們認為葉片超過一定尺寸後，碳纖維葉片的製作成本並不比玻璃纖維的高。

（3）Vestas WindSystem在他們製造的44m長、 V-903.0MW風電機中的葉片的梁採用了碳纖維。2004年12月ZoltekCompaniesInc.宣布與Vestaswind Systems AS公司訂立長期戰略合同，在前3a提 供價值8千萬到1億美元的碳纖維用於製造風機葉片；ZoltekCompaniesInc在股東大會上宣布對NEG Micon的碳纖維合同將比每年150t增加1倍。同時每年分別向Vestas和Gamesa各提供1000t，所用牌號為Panex3348K。

（4）西班牙Gamesa在他們旋轉直徑為87m(G87)和90m(G90)2MW的風機的葉片中採用了碳纖維／環氧樹脂預浸料。

（5）NEG Micon在40m的葉片中採用了碳纖維增強環氧樹脂。

（6）德國Enercon GmbH在他們的大型葉片的製造中也使用了碳纖維。

（7）華盛頓的Kirkland公司和TPIComposites公司合作，發展碳纖維風機葉片，以求得最大的能量獲得，同時減輕風機的負載。方案通過對30——35m長葉片的設計，製造和測試證明先進的碳纖維混編設計葉片的商業化的可行性。 碳纖維在風葉中的應用在逐年增加（圖2）。

圖2 碳纖維在風葉中的用量

3、碳纖維在風力發電機葉片中應用的主要部位

由於碳纖維比玻璃纖維昂貴，採用百分之百的碳纖維製造葉片從成本上來說是不合算的。目前國外碳纖維主要是和玻璃纖維混和使用，碳纖維只是用在一些關鍵的部分。碳纖維在葉片中應用的主要部位有（圖3）：

（1）橫樑（Spar），尤其是橫樑蓋（SparCaps）。

（2）前後邊緣，除了提高剛度和降低質量外，還起到避免雷擊對葉片造成損傷（專利US6457943B1）的作用，如圖3中塗黑的部分採用碳纖維（專利 EP1485611）。

（3）葉片的表面，採用具有高強度特性的碳纖維片材（日本專利JP2003214322）。

圖3 碳纖維用於葉片前後邊緣和橫樑蓋製造

(1)提高葉片剛度，減輕葉片質量

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——8倍。大型葉片採用碳纖維 增強可充分發揮其高彈輕質的優點。荷蘭戴爾弗理工大學研究表明，一個旋轉直徑為120m的風機的葉片，由於梁的質量超過葉片總質量的一半，梁結構採用碳纖維，和採用全玻璃纖維的相比，質量可減輕40%左右；碳纖維複合材料葉片剛度是玻璃纖維複合材料葉片的2倍。據分析，採用碳纖維／玻璃纖維混雜增強方案，葉片可減輕 20％——30％。VestaWindSystem公司的V903MW 發電機的葉片長44m，採用碳纖維代替玻璃纖維的構件，葉片質量與該公司V802MW發電機且為 39m長的葉片質量相同。同樣是34m長的葉片， 採用玻璃纖維增強聚脂樹脂時質量為5800kg，採用玻璃纖維增強環氧樹脂時質量為5200kg，而採用碳纖維增強環氧樹脂時質量只有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纖維所製得的風機葉片質量比採用玻璃纖維的輕約32%，而且成本下降約16%。圖4為完全碳纖維葉片和目前歐洲商業化的葉片質量比較圖。

圖5 完全碳纖維葉片和目前歐洲商業化的葉片質量比較

(2)提高葉片抗疲勞性能

風機總是處在條件惡劣的環境中，並且24h處於工作狀態。這就使材料易於受到損害。相關研究表明，碳纖維合成材料具有出眾的抗疲勞特性，當 與樹脂材料混合時，則成為了風力機適應惡劣氣候條件的最佳材料之一。

（3）使風機的輸出功率更平滑更均衡,提高風能利用效率

使用碳纖維後，葉片質量的降低和剛度的增加改善了葉片的空氣動力學性能，減少對塔和輪軸的負載，從而使風機的輸出功率更平滑更均衡，提高能量效率。同時，碳纖維葉片更薄，外形設計更有效，葉片更細長，也提高了能量的輸出效率。

（4）可製造低風速葉片

碳纖維的應用可以減少負載和增加葉片長度，從而製造適合於低風速地區的大直徑風葉，使風能成本下降。

（5）可製造自適應葉片（「self-adaptive」blade）

葉片裝在發電機的輪軸上，葉片的角度可調。目前主動型調節風機（activeutility-sizewind turbines）的設計風速為13~15m/s(29~33英里/h)， 當風速超過時，則調節風葉斜度來分散超過的風力，防止對風機的損害。斜度控制系統對逐步改變的風速是有效的。但對狂風的反應太慢了，自適應的各向異性葉片可幫助斜度控制系統（thepitch controlsystem），在突然的、瞬間的和局部的風速改 變時保持電流的穩定。自適應葉片充分利用了纖維增強材料的特性，能產生非對稱性和各向異性的材料，採用彎曲/扭曲葉片設計，使葉片在強風中旋轉時可減少瞬時負載。美國SandiaNational Laboratories致力於自適應葉片研究，使1.5MW風機的發電成本降到4.9美分/(kW·h)，價格可和燃料發電相比。

（6）利用導電性能避免雷擊

利用碳纖維的導電性能，通過特殊的結構設計，可有效地避免雷擊對葉片造成的損傷。

（7）降低風力機葉片的製造和運輸成本

由於減少了材料的應用，所以纖維和樹脂的應用都減少了，葉片變得輕巧，製造和運輸成本都會下降。可縮小工廠的規模和運輸設備。

（8）具有振動阻尼特性

碳纖維的振動阻尼特性可避免葉片自然頻率與塔暫短頻率間發生任何共振的可能性。

5.1 碳纖維應用的主要問題

碳纖維應用有以下主要問題需要解決：

（1）碳纖維是一種昂貴纖維材料，在碳纖維應用過程中，價格是主要障礙，性價比影響了它在風力發電上的大範圍應用。

（2）CFRP比GFRP更具脆性，一般被認為更趨於疲勞，但是研究表明，只要注意生產質量的控制以及材料和結構的幾何條件，就足以保證長期的耐疲勞。

（3）直徑較小的碳纖維表面積較大，複合材料成型加工浸潤比較困難。由於碳纖維葉片一般採用環氧樹脂製造，要通過降低環氧樹脂製造的黏度而不降低它的力學性能是比較困難的，這也是一些廠家採用預浸料工藝的原因。此外碳纖維複合材料的性能受工藝因素影響敏感（如鋪層方向），對工藝要求較高。

（4）碳纖維複合材料透明性差，難以進行內部檢查。

5.2解決途徑

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，全球各大葉片製造商正在從原材料、工藝技術、質量控制等各方面進行深入研究，以求降低成本，使碳纖維能在風力發電上得到更多的應用。可通過如下的途徑來促進碳纖維在風力發電中的應用。

(1)用碳纖維代替玻璃纖維

葉片尺寸越大，相對成本越低。碳纖維更適於 3MW（40m）以上，尤其是5MW以上的產品。因為 材料用量下降，才能比玻璃纖維葉片更便宜。另外可採用從瀝青製造的低成本碳纖維，這種碳纖維的價格可以降到每磅5美元的心理價位。下一代採用輕質、高性能碳纖維葉片的5——10MW風力機，設計更加可靠，市場競爭力也更強。

(2)採用特殊的織物混編技術

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，達到結構的最優化設計。如TPI公司採用碳纖維織物為800g3軸向織物（triaxial fabric），由1層500g0°T-600碳纖維夾在2層150g 成±45°的玻纖織物內。對於原型葉片中，碳纖維成20°，玻纖層的3軸向織物為+65°和-25°，這種方向的 鋪層可充分地控制剪切負載。旋轉織物意味著織物邊沿和葉片方向成20°，逐步地引入旋轉耦合部件（thetwist-couplingcomponent）。

(3)採用大絲束碳纖維

葉片生產中，採用大絲束碳纖維可達到降低生產成本的目的。如一種新型丙烯酸碳纖維（美國專利US6103211），該發明的目的在於提供一種高強度的碳纖維，這種碳纖維適用於風力機葉片材料等與能源相關的設備。

(4)採用新型成型加工技術

在目前的生產中，預浸料和真空輔助樹脂傳遞模塑工藝已成為2種最常用替代濕法鋪層技術；對於40m以上葉片，大多數製造商採用VARTM技術。但VESTAS和GAMESA仍使用預浸料工藝。技術關鍵是控制樹脂粘度、流動性、注入孔設計和減少材料孔隙率。

在大型葉片製造中，由於碳纖維的使用，聚酯樹脂已被環氧樹脂替代。

利用天然纖維——熱塑性樹脂製造的「綠色葉片」近年來也倍受重視，如愛爾蘭的Gaoth公司已負責製造12．6m長的熱塑性複合材料葉片，Mitsubishi(三菱)公司將負責在風力發電機上進行「綠色葉片的試驗」。如果試驗成功後，他們將繼續研究開發30m以上的熱塑性複合材料標準葉片。 為了降低模具成本，減輕模具重量，大型複合材料葉片的製造模具也逐漸由金屬模具向著複合材料模具轉變，這也意味著複合材料葉片可以做得更長。另外，由於模具與葉片採用了相同的材料，模具材料的熱膨脹係數與葉片材料基本相同，製造出的複合材料葉片的精度和尺寸穩定性均優於金屬模具製造的葉片產品。

【來源：電網與清潔能源】