當(dāng)葉片長(zhǎng)度增加時(shí)，重量的增加要快于能量的提取，因?yàn)橹亓康脑黾雍惋L(fēng)葉長(zhǎng)度的立方成正比，而風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電能和風(fēng)葉長(zhǎng)度的平方成正比。同時(shí)隨著葉片長(zhǎng)度的增加，對(duì)增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和剛度等性能提出了新的要求，玻璃纖維在大型復(fù)合材料葉片制造中逐漸顯現(xiàn)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(qiáng)度與剛度要求，有效的辦法是采用碳纖維增強(qiáng)。國(guó)外專(zhuān)家認(rèn)為，由于現(xiàn)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(fù)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(zhǎng)轉(zhuǎn)于葉片時(shí)，采用懺能更好的碳纖維復(fù)合材料是勢(shì)在必行。根據(jù)國(guó)外有關(guān)資料，當(dāng)風(fēng)力機(jī)超過(guò)3MW、葉片長(zhǎng)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(dāng)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?yàn)椴牧嫌昧?、勞?dòng)力、運(yùn)輸和安裝成本等都下降了。
國(guó)外碳纖維用于葉片制造的廠(chǎng)家主要有：
(1)丹麥LM Glassfiber“未來(lái)”葉片家族中61.5米長(zhǎng)、5MW風(fēng)機(jī)的葉片在梁和端部都選用了碳纖維。
(2)德國(guó)葉片制造商N(yùn)ordex Rotor公司。
當(dāng)葉片長(zhǎng)度增加時(shí)，重量的增加要快于能量的提取，因?yàn)橹亓康脑黾雍惋L(fēng)葉長(zhǎng)度的立方成正比，而風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電能和風(fēng)葉長(zhǎng)度的平方成正比。同時(shí)隨著葉片長(zhǎng)度的增加，對(duì)增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和剛度等性能提出了新的要求，玻璃纖維在大型復(fù)合材料葉片制造中逐漸顯現(xiàn)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(qiáng)度與剛度要求，有效的辦法是采用碳纖維增強(qiáng)。國(guó)外專(zhuān)家認(rèn)為，由于現(xiàn)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(fù)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(zhǎng)轉(zhuǎn)于葉片時(shí)，采用懺能更好的碳纖維復(fù)合材料是勢(shì)在必行。根據(jù)國(guó)外有關(guān)資料，當(dāng)風(fēng)力機(jī)超過(guò)3MW、葉片長(zhǎng)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(dāng)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?yàn)椴牧嫌昧俊趧?dòng)力、運(yùn)輸和安裝成本等都下降了。
國(guó)外碳纖維用于葉片制造的廠(chǎng)家主要有：
(1)丹麥LM Glassfiber“未來(lái)”葉片家族中61.5米長(zhǎng)、5MW風(fēng)機(jī)的葉片在梁和端部都選用了碳纖維。
(2)德國(guó)葉片制造商N(yùn)ordex Rotor公司。
(3)Vestas Wind System公司在他們制造的44米長(zhǎng)、V-90 3.0 MW風(fēng)電機(jī)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(zhǎng)期戰(zhàn)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(jī)葉片;Zoltek Companies公司宣布對(duì)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(hào)為Panex33 48K。
(4)西班牙Gamesa在他們旋轉(zhuǎn)直徑為87米(G87)和90米(G90)2MW的風(fēng)機(jī)的葉片中采用了碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料，G90葉片長(zhǎng)44米，品質(zhì)約7噸。
(5)NEG Micon在40米的葉片中采用了碳纖維。
(6)德國(guó)Enercon 公司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(guó)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(jī)葉片，以求得最大的能量獲得，同時(shí)減輕風(fēng)機(jī)的負(fù)載。方案通過(guò)對(duì)30-35m長(zhǎng)葉片的設(shè)計(jì)，制造和測(cè)試以證明先進(jìn)的碳纖維混編設(shè)計(jì)的商業(yè)可能性。
碳纖維在風(fēng)葉中的應(yīng)用正在逐年增加。
2. 碳纖維在風(fēng)葉片中應(yīng)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(guó)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(yīng)用的主要部位有：
(1)橫梁(Spar)，尤其是橫梁蓋(Spar Caps)。
(2)前后邊緣，除了提高剛度和降低品質(zhì)外，還起到避免雷擊對(duì)葉片造成的損傷(專(zhuān)利US6457943BI)。
(3)葉片的表面，采用具有高強(qiáng)度特性的碳纖維片材(日本專(zhuān)利JP2003214322)。
3. 碳纖維在風(fēng)機(jī)葉片中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)
碳纖維的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：
(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(qiáng)度大40%，尤其是模量高3至8倍。大型葉片采用碳纖維增強(qiáng)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(zhuǎn)直徑為120米的風(fēng)機(jī)的葉片，由于梁的品質(zhì)超過(guò)葉片總品質(zhì)的一半，梁結(jié)構(gòu)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(fù)合材料葉片剛度是玻璃纖維復(fù)合材料葉片的兩倍。據(jù)分析，采用碳/?；祀s增強(qiáng)方案，葉片可減重20%～30%。
Vesta Wind System公司的V90 3 Mw發(fā)電機(jī)的葉片長(zhǎng)44m，采用碳纖維代替玻璃纖維的構(gòu)件，葉片品質(zhì)與該公司V80 2 MW發(fā)電機(jī)且為39米長(zhǎng)的葉片品質(zhì)相同。同樣是34m長(zhǎng)的葉片，采用玻璃纖維增強(qiáng)聚脂樹(shù)脂時(shí)品質(zhì)5800kg，采用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂時(shí)品質(zhì)5200kg，而采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂時(shí)品質(zhì)只有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纖維所制得的風(fēng)機(jī)葉片品質(zhì)比玻璃纖維的輕約32%，而且成本下降約16%。
(2)提高葉片抗疲勞性能
風(fēng)機(jī)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(dāng)與樹(shù)脂材料混合時(shí)，則成為了風(fēng)力機(jī)適應(yīng)惡劣氣候條件的最佳材料之一。
(3)使風(fēng)機(jī)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(duì)塔和輪軸的負(fù)載，從而使風(fēng)機(jī)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(shè)計(jì)更有效，葉片更細(xì)長(zhǎng)，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(yīng)用可以減少負(fù)載和增加葉片長(zhǎng)度，從而制造適合于低風(fēng)速地區(qū)的大直徑風(fēng)葉，使風(fēng)能成本下降。
(5)可制造自我調(diào)整葉片
葉片裝在發(fā)電機(jī)的輪輪上，葉片的角度可調(diào)。目前主動(dòng)型調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)(active utility-size wind turhines)的設(shè)計(jì)風(fēng)速為13 to15m/sec(29 to 33mph)，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)時(shí)，則調(diào)節(jié)風(fēng)葉斜度來(lái)分散超過(guò)的風(fēng)力，防止對(duì)風(fēng)機(jī)的損害。斜度控制系統(tǒng)對(duì)逐步改變的風(fēng)速是有效的。但對(duì)狂風(fēng)的反應(yīng)太慢了，自我調(diào)整的各向異性葉片可說(shuō)明斜度控用系統(tǒng)(thepitch 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(wěn)定。自我調(diào)整葉片充分利用了纖維增強(qiáng)材料的特性，能產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)性和各向異性的材料，采用彎曲/扭曲葉片設(shè)計(jì)，使葉片在強(qiáng)風(fēng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)可減少暫態(tài)負(fù)載。美國(guó)Sandia National Laboratories致力于自我調(diào)整葉片(“adzptive”blade)研究，使1.5W風(fēng)能從每KWh 5美分降到4.9分，價(jià)格可和燃料發(fā)電相比。
(6)利用導(dǎo)電性能避免雷擊
利用碳纖維的導(dǎo)電性能，通過(guò)特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可有效地避免雷擊對(duì)葉片造成的損傷。
(7)降低風(fēng)力機(jī)葉片的制造和運(yùn)輸成本
由于減少了材料的應(yīng)用，所以纖維和樹(shù)脂的應(yīng)用都減少了，葉片變得輕巧，制造和運(yùn)輸成本都會(huì)下降?？煽s小工廠(chǎng)的規(guī)模和運(yùn)輸設(shè)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。
4. 碳纖維應(yīng)用的主要問(wèn)題和解決途徑
碳纖維應(yīng)用的缺陷：
(1)碳纖維是一種昂貴纖維材料，在碳纖維應(yīng)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(yīng)用。必須當(dāng)葉片超過(guò)一定尺寸后，因?yàn)椴牧嫌昧肯陆担拍鼙炔＠w葉片便宜。目前采用碳纖維和玻璃纖維共混結(jié)構(gòu)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/磅的心理價(jià)位。
(2)CFRP比GFRP更具脆性，一般被認(rèn)為更趨于疲勞，但是研究表明，只要注意生產(chǎn)品質(zhì)的控制以及材料和結(jié)構(gòu)的幾何條件，就可足以保證長(zhǎng)期的耐疲勞。
(3)直徑較小的碳纖維表面積較大，復(fù)合材料成型加工浸潤(rùn)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(yù)浸料工藝的原因。此外碳纖維復(fù)合材料的性能受工藝眼影響敏感(如鋪層方向)，對(duì)工藝要求較高。
(4)碳纖維復(fù)合材料透明性差，難以進(jìn)行內(nèi)部檢查。
但碳纖維在大型葉片中的應(yīng)用已成為一種不可改變的趨勢(shì)。目前，全球各大葉片制造商正在從原材料、工藝技術(shù)、品質(zhì)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(yīng)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(yīng)用：
1)葉片尺寸越大，相對(duì)成本越低。因此對(duì)于3MW(40m)以上，尤其是5MW以上的產(chǎn)品。目前大規(guī)模安裝的2.5-3.5MW機(jī)組采用了輕質(zhì)、高性能的玻璃纖維葉片，設(shè)計(jì)可靠，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)，下一代5-10MW風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)將更多的采用碳纖維。
2)采用特殊的織物混編技術(shù)。根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)要求，把碳纖維鋪設(shè)在剛度和強(qiáng)度要求最高的方向，達(dá)到結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(nèi)。對(duì)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(fù)載。旋轉(zhuǎn)織物意味著織物邊沿和葉片方向成20°角，逐步地引入旋轉(zhuǎn)耦合部件(the twist-coupling component)。
3)采用大絲束碳纖維。碳纖生產(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(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的。如一種新型丙烯酸碳纖維(美國(guó)專(zhuān)利US6103211申請(qǐng)人：TORAY INDUSTRIES(JP))該發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)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(xì)纖維：sigma>/=11.l~0.75d，其中的sigma指碳纖維抗張強(qiáng)度，d指細(xì)纖維的平均直徑。這種碳纖維適用于風(fēng)力機(jī)葉片材料等與能源相關(guān)的設(shè)備，或者作為道路、大橋的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)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，預(yù)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(duì)于40m以上葉片，大多數(shù)制造商采用VARTM技術(shù)。但VESTAS和GAMESA仍使用預(yù)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(shè)計(jì)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;利用天然纖維-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公司負(fù)責(zé)制造12.6米長(zhǎng)的熱塑性復(fù)合材料葉片，Mitsubishi(三菱)公司負(fù)責(zé)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上進(jìn)行“綠色葉片的試驗(yàn)”。如果試驗(yàn)成功后，他們將繼續(xù)研究開(kāi)發(fā)30米以上的熱塑性復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)葉片。
