1.風力發(fa)電技(ji)術的(de)發(fa)展(zhan)

風電(dian)(dian)的(de)價格和(he)風機(ji)(ji)功(gong)率(lv)成反比(bi)，風機(ji)(ji)率(lv)越大(da)(da)，單(dan)(dan)位(wei)發(fa)(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)成本(ben)越低(di)(表l)。隨著(zhu)現代風電(dian)(dian)技(ji)術的(de)發(fa)(fa)(fa)(fa)展與日趨成熟(shu)，風力(li)發(fa)(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)機(ji)(ji)組(zu)(zu)的(de)技(ji)術沿著(zhu)增大(da)(da)單(dan)(dan)機(ji)(ji)容(rong)(rong)量(liang)(liang)、減輕(qing)單(dan)(dan)位(wei)千瓦重(zhong)量(liang)(liang)、提高轉換效率(lv)的(de)方(fang)向(xiang)發(fa)(fa)(fa)(fa)展。上世紀80年代早期到(dao)中期，典型的(de)風電(dian)(dian)機(ji)(ji)組(zu)(zu)單(dan)(dan)機(ji)(ji)容(rong)(rong)量(liang)(liang)僅20～60kw;從(cong)80年代末期到(dao)90年代初期，風電(dian)(dian)機(ji)(ji)組(zu)(zu)單(dan)(dan)機(ji)(ji)容(rong)(rong)量(liang)(liang)從(cong)100kw增加到(dao)達(da)500kw;到(dao)90年代中期，典型的(de)風電(dian)(dian)機(ji)(ji)組(zu)(zu)單(dan)(dan)機(ji)(ji)容(rong)(rong)量(liang)(liang)為750-1MW;到(dao)90年代末，風電(dian)(dian)機(ji)(ji)組(zu)(zu)單(dan)(dan)機(ji)(ji)容(rong)(rong)量(liang)(liang)已(yi)經達(da)到(dao)2.5MW;目前(qian)已(yi)達(da)3.5MW以上，世界平(ping)均單(dan)(dan)機(ji)(ji)容(rong)(rong)量(liang)(liang)為1Mw，最大(da)(da)單(dan)(dan)機(ji)(ji)容(rong)(rong)量(liang)(liang)為5Mw。預(yu)計2010年將開發(fa)(fa)(fa)(fa)出(chu)10MW的(de)風電(dian)(dian)機(ji)(ji)組(zu)(zu)。

葉片(pian)(pian)(pian)是風(feng)力(li)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)關鍵部件之一，涉及氣動、復合材(cai)料結構、工藝等領域。葉片(pian)(pian)(pian)的(de)(de)(de)長(chang)(chang)(chang)度和風(feng)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)功率成正比，風(feng)機(ji)(ji)功率越大，葉片(pian)(pian)(pian)越長(chang)(chang)(chang)。對于(yu)500kw-2.5MW的(de)(de)(de)風(feng)力(li)機(ji)(ji)，葉片(pian)(pian)(pian)長(chang)(chang)(chang)13.5-39米(丹(dan)麥LMGlasfiber公司制(zhi)造(zao));660kw-1.65MW的(de)(de)(de)風(feng)力(li)機(ji)(ji)，葉片(pian)(pian)(pian)長(chang)(chang)(chang)23-39米(丹(dan)麥VestasWindSystemsAS制(zhi)造(zao))。在兆瓦級風(feng)電機(ji)(ji)組中，如1MW的(de)(de)(de)葉片(pian)(pian)(pian)長(chang)(chang)(chang)31米，每(mei)片(pian)(pian)(pian)重(zhong)(zhong)約(yue)4-5t;1.5MW主(zhu)力(li)機(ji)(ji)型風(feng)力(li)機(ji)(ji)葉片(pian)(pian)(pian)長(chang)(chang)(chang)34～37m，每(mei)片(pian)(pian)(pian)重(zhong)(zhong)約(yue)6t;目前商業化風(feng)力(li)發(fa)電所用(yong)的(de)(de)(de)電機(ji)(ji)容量一般(ban)為1.5―2.0MW，與之配套的(de)(de)(de)復合材(cai)料葉片(pian)(pian)(pian)長(chang)(chang)(chang)度大約(yue)32―40米，重(zhong)(zhong)6-8t;現(xian)代的(de)(de)(de)54m大型葉片(pian)(pian)(pian)重(zhong)(zhong)13t。現(xian)今世界上(shang)最(zui)大5MW的(de)(de)(de)風(feng)力(li)發(fa)電機(ji)(ji)的(de)(de)(de)葉片(pian)(pian)(pian)長(chang)(chang)(chang)61.5米，單(dan)片(pian)(pian)(pian)葉片(pian)(pian)(pian)的(de)(de)(de)重(zhong)(zhong)量接近18t，旋(xuan)轉(zhuan)直徑可達126.3米。

葉(xie)片(pian)(pian)也是風(feng)(feng)(feng)(feng)機(ji)(ji)中(zhong)成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)(ben)最高(gao)的(de)部件，雖然它的(de)重(zhong)量不(bu)到(dao)風(feng)(feng)(feng)(feng)機(ji)(ji)重(zhong)量的(de)15%。PeterJamieson認為風(feng)(feng)(feng)(feng)葉(xie)成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)(ben)約占風(feng)(feng)(feng)(feng)電成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)(ben)的(de)10%。風(feng)(feng)(feng)(feng)葉(xie)類似(si)于(yu)航空(kong)葉(xie)片(pian)(pian)，要(yao)(yao)求(qiu)提(ti)高(gao)提(ti)升(sheng)比(bi)(Lift-to-dragratio)，并且其提(ti)升(sheng)特性不(bu)易受(shou)(shou)葉(xie)片(pian)(pian)表(biao)面污染和粗糙度影(ying)響(xiang)。從結構考慮要(yao)(yao)求(qiu)葉(xie)片(pian)(pian)有較厚的(de)葉(xie)型。葉(xie)片(pian)(pian)要(yao)(yao)經受(shou)(shou)20年(nian)應用(yong)，以受(shou)(shou)風(feng)(feng)(feng)(feng)力(li)造成(cheng)(cheng)(cheng)的(de)疲勞次數達10(也有以500萬(wan)次作標(biao)準)。隨著(zhu)風(feng)(feng)(feng)(feng)機(ji)(ji)功(gong)率的(de)增(zeng)加，風(feng)(feng)(feng)(feng)葉(xie)尺(chi)寸(cun)也相應增(zeng)加。表(biao)1所示為不(bu)同(tong)年(nian)份風(feng)(feng)(feng)(feng)機(ji)(ji)功(gong)率、風(feng)(feng)(feng)(feng)葉(xie)尺(chi)寸(cun)和風(feng)(feng)(feng)(feng)電價格(ge)的(de)變化(hua)趨勢。

2.碳纖(xian)維在(zai)風力發電(dian)機葉(xie)片(pian)中(zhong)的應用

當葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)長(chang)度(du)(du)(du)(du)增(zeng)加(jia)時(shi)，重量的(de)(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)要快(kuai)于(yu)(yu)能(neng)(neng)量的(de)(de)(de)(de)提取，因為(wei)(wei)重量的(de)(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)和(he)風(feng)(feng)葉(xie)(xie)長(chang)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)立方(fang)成(cheng)(cheng)正比(圖1)，而(er)風(feng)(feng)機(ji)產生的(de)(de)(de)(de)電能(neng)(neng)和(he)風(feng)(feng)葉(xie)(xie)長(chang)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)平方(fang)成(cheng)(cheng)正比。同時(shi)隨著葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)長(chang)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)，對(dui)增(zeng)強材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)強度(du)(du)(du)(du)和(he)剛度(du)(du)(du)(du)等(deng)性(xing)能(neng)(neng)提出了新的(de)(de)(de)(de)要求(qiu)，玻(bo)(bo)璃(li)纖維(wei)(wei)在(zai)(zai)大型(xing)復(fu)合(he)(he)材(cai)料(liao)(liao)葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)制(zhi)造(zao)中逐(zhu)漸(jian)顯現出性(xing)能(neng)(neng)方(fang)面的(de)(de)(de)(de)不足(zu)。為(wei)(wei)了保證在(zai)(zai)極(ji)端(duan)風(feng)(feng)載下葉(xie)(xie)尖不碰塔架，葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)必須具有足(zu)夠的(de)(de)(de)(de)剛度(du)(du)(du)(du)。減輕葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)的(de)(de)(de)(de)重量，又要滿足(zu)強度(du)(du)(du)(du)與剛度(du)(du)(du)(du)要求(qiu)，有效的(de)(de)(de)(de)辦法是采用(yong)碳(tan)纖維(wei)(wei)增(zeng)強。國外專(zhuan)家認為(wei)(wei)，由于(yu)(yu)現有材(cai)料(liao)(liao)性(xing)不能(neng)(neng)很好(hao)滿足(zu)大功(gong)率(lv)風(feng)(feng)力(li)發(fa)(fa)電裝置(zhi)的(de)(de)(de)(de)需求(qiu)，玻(bo)(bo)璃(li)纖維(wei)(wei)復(fu)合(he)(he)材(cai)料(liao)(liao)性(xing)能(neng)(neng)已經趨(qu)于(yu)(yu)極(ji)限(xian)，因此，在(zai)(zai)發(fa)(fa)展更大功(gong)率(lv)風(feng)(feng)力(li)發(fa)(fa)電裝置(zhi)和(he)更長(chang)轉于(yu)(yu)葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)時(shi)，采用(yong)懺能(neng)(neng)更好(hao)的(de)(de)(de)(de)碳(tan)纖維(wei)(wei)復(fu)合(he)(he)材(cai)料(liao)(liao)是勢在(zai)(zai)必行。根據國外有關(guan)資(zi)料(liao)(liao)報道，當風(feng)(feng)力(li)機(ji)超過(guo)3MW、葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)長(chang)度(du)(du)(du)(du)超過(guo)40米(mi)時(shi)，在(zai)(zai)葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)制(zhi)造(zao)時(shi)采用(yong)碳(tan)纖維(wei)(wei)已成(cheng)(cheng)為(wei)(wei)必要的(de)(de)(de)(de)選擇。事實(shi)上，當葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)超過(guo)一定(ding)尺寸后，碳(tan)纖維(wei)(wei)葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)反而(er)比玻(bo)(bo)纖葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)便宜，因為(wei)(wei)材(cai)料(liao)(liao)用(yong)量、勞(lao)動力(li)、運輸和(he)安裝成(cheng)(cheng)本等(deng)都(dou)下降了。

國外碳纖維(wei)用于葉片制造的廠家(jia)主要(yao)有：

丹麥(mai)LMGlassfiber“未來(lai)”葉片(pian)家(jia)族(zu)中61.5米長、5MW風機的(de)葉片(pian)在梁和端部都(dou)選用了碳纖維;

德(de)國葉(xie)(xie)片(pian)制造商NordexRotor新制造的56米長，5MW風機(ji)葉(xie)(xie)片(pian)的整個梁(liang)結(jie)構也采(cai)用了碳纖維(wei)，他們認為葉(xie)(xie)片(pian)超(chao)過一定尺寸后，碳纖維(wei)葉(xie)(xie)片(pian)的制作成本(ben)并不比玻纖的高(gao);

VestasWindSystem在(zai)他們制造(zao)的(de)44米長、V-903.0MW風電機中的(de)葉片(pian)的(de)梁采用了碳纖(xian)維。2004年(nian)(nian)12月ZoltekCompaniesInc.宣(xuan)布(bu)與(yu)VestaswindSystemsAS公司(si)訂立長期戰略合(he)同(tong)(tong)(tong)，在(zai)前三年(nian)(nian)提(ti)供價值(zhi)8千萬(wan)到(dao)1億(yi)美元(yuan)的(de)碳纖(xian)維用于制造(zao)風機葉片(pian);ZoltekCompaniesInc在(zai)股(gu)東大會上宣(xuan)布(bu)對NEGMicon的(de)碳纖(xian)維合(he)同(tong)(tong)(tong)將從每年(nian)(nian)150噸增加一倍。同(tong)(tong)(tong)時每年(nian)(nian)分別向Vestas和Ganesa各提(ti)供1000噸，所用牌號為Panex3348K;

西班牙Gamesa在他(ta)們旋轉直徑為87米(G87)和90米(G90)2MW的風機(ji)的葉(xie)片(pian)中采用了碳纖維/環(huan)氧樹脂預浸(jin)料，G90葉(xie)片(pian)長(chang)44米，質量約7t。

NEGMicon在40米的(de)葉片中采用了(le)碳纖維增

德國EnerconGmbH在(zai)他們的大型葉(xie)片的制造中也使用了碳(tan)纖維。

華盛頓的(de)(de)Kirkland公司(si)收(shou)到美(mei)(mei)國能源部(U.S.DepartmentofEnergy)的(de)(de)75萬美(mei)(mei)元，作為研(yan)發資金，和TPIComposites公司(si)合作，發展(zhan)碳(tan)纖維風機葉(xie)片，以求得最大的(de)(de)能量(liang)獲得，同時減輕風機的(de)(de)負載。方案(an)通過對30-35m長葉(xie)片的(de)(de)設計(ji)，制造和測(ce)試以證明先進的(de)(de)碳(tan)纖維混(hun)編(bian)設計(ji)的(de)(de)商業可能性。碳(tan)纖維在(zai)風葉(xie)中的(de)(de)應用逐年在(zai)增加(圖2)

3.碳(tan)纖維在風(feng)力發(fa)電機葉片中應用的(de)主要部位

由于碳(tan)纖維(wei)比玻(bo)纖昂貴，采(cai)用百(bai)分之(zhi)百(bai)的(de)碳(tan)纖維(wei)制造葉片(pian)從(cong)成(cheng)本上來說(shuo)是不(bu)合算的(de)。目前(qian)國外碳(tan)纖維(wei)主要是和玻(bo)纖混和使用，碳(tan)纖維(wei)只是用到一些關鍵的(de)部分。碳(tan)纖維(wei)在葉片(pian)中應用的(de)主要部位有(圖(tu)(tu)3和圖(tu)(tu)4)：

橫梁(Spar)，尤其是橫梁蓋(SparCaps)。

前后(hou)邊(bian)緣，除了提高剛度和降低質(zhi)量外，還起到(dao)避免雷(lei)擊對(dui)葉片造成的損傷(專(zhuan)利US6457943BI)，如圖3中涂黑的部分采(cai)用碳纖

維。(專利EP1485611)

葉(xie)片的(de)表面，采用具有高強度特性的(de)碳(tan)纖(xian)維(wei)片材(日本專利JP2003214322)。

4.碳纖維(wei)在(zai)風力發電機葉片中應用的優勢

碳纖維的應用優勢：

 (1)提(ti)高葉(xie)片(pian)剛度，減輕(qing)葉(xie)片(pian)重(zhong)量(liang)

碳(tan)纖(xian)(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)的(de)(de)(de)(de)密度比玻璃(li)纖(xian)(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)小約30%，強(qiang)度大(da)40%，尤其(qi)是(shi)(shi)模(mo)量(liang)(liang)高(gao)(gao)3至8倍。大(da)型葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)采用(yong)碳(tan)纖(xian)(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)增(zeng)強(qiang)可(ke)充分發揮(hui)其(qi)高(gao)(gao)彈輕(qing)(qing)質(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)優(you)點。荷蘭戴爾弗(fu)理工大(da)學研究(jiu)表(biao)明，一個旋轉直(zhi)徑為(wei)120米的(de)(de)(de)(de)風機(ji)的(de)(de)(de)(de)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)，由于(yu)梁(liang)的(de)(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)超過(guo)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)總質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)一半，梁(liang)結構(gou)采用(yong)碳(tan)纖(xian)(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)，和采用(yong)全玻纖(xian)(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)相比，重量(liang)(liang)可(ke)減輕(qing)(qing)40%左右;碳(tan)纖(xian)(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)復(fu)合(he)材料(liao)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)剛度是(shi)(shi)玻璃(li)纖(xian)(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)復(fu)合(he)材料(liao)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)的(de)(de)(de)(de)兩倍。據分析，采用(yong)碳(tan)/玻混雜增(zeng)強(qiang)方(fang)案(an)，葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)可(ke)減重20～30%VestaWindSystem公司的(de)(de)(de)(de)V903Mw發電機(ji)的(de)(de)(de)(de)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)長44m，采用(yong)碳(tan)纖(xian)(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)代替玻璃(li)纖(xian)(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)的(de)(de)(de)(de)構(gou)件，葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)與該公司V802MW發電機(ji)且(qie)為(wei)39米長的(de)(de)(de)(de)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)相同(tong)。同(tong)樣是(shi)(shi)34m長的(de)(de)(de)(de)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)，采用(yong)玻璃(li)纖(xian)(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)增(zeng)強(qiang)聚脂樹脂時(shi)(shi)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)5800kg，采用(yong)玻璃(li)纖(xian)(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)增(zeng)強(qiang)環氧樹脂時(shi)(shi)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)5200kg，而采用(yong)碳(tan)纖(xian)(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)增(zeng)強(qiang)環氧樹脂時(shi)(shi)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)只有3800kg。其(qi)他的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)也表(biao)明，添加(jia)碳(tan)纖(xian)(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)所制得的(de)(de)(de)(de)風機(ji)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)比玻璃(li)纖(xian)(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)的(de)(de)(de)(de)輕(qing)(qing)約32%，而且(qie)成本下(xia)降約16%。表(biao)2所示為(wei)玻纖(xian)(xian)(xian)(xian)和碳(tan)纖(xian)(xian)(xian)(xian)及(ji)復(fu)合(he)材料(liao)性能比較。圖5為(wei)完全碳(tan)纖(xian)(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)和目(mu)前歐洲商(shang)業化(hua)的(de)(de)(de)(de)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)重量(liang)(liang)比較。

(2)提高葉片抗疲(pi)勞性能

風機總是處在條件(jian)惡劣的(de)環境中，并(bing)且24小時(shi)的(de)處于工作狀態。這(zhe)就使材(cai)料易(yi)于受到損(sun)害。相關研究(jiu)表(biao)明，碳纖維(wei)合成材(cai)料具有出眾的(de)抗疲勞特性，當(dang)與樹脂材(cai)料混合時(shi)，則(ze)成為了風力機適應惡劣氣(qi)候(hou)條件(jian)的(de)最(zui)佳材(cai)料之(zhi)一(yi)。

(3)使風機的(de)輸出功率更平滑更均衡，提(ti)高風能利用效率

使(shi)(shi)用碳(tan)纖(xian)維(wei)后，葉(xie)(xie)片(pian)(pian)重量的(de)降低和剛度的(de)增加改(gai)善了(le)葉(xie)(xie)片(pian)(pian)的(de)空氣(qi)動力學性能(neng)，減(jian)少(shao)對塔和輪軸的(de)負載，從而使(shi)(shi)風機的(de)輸(shu)(shu)出功率(lv)更(geng)平滑和更(geng)均衡(heng)，提高(gao)能(neng)量效率(lv)。同時(shi)，碳(tan)纖(xian)維(wei)葉(xie)(xie)片(pian)(pian)更(geng)薄，外(wai)形(xing)設計更(geng)有效，葉(xie)(xie)片(pian)(pian)更(geng)細(xi)長，也提高(gao)了(le)能(neng)量的(de)輸(shu)(shu)出效率(lv)。

(4)可制造低(di)風速葉片(pian)

碳纖維的應用可以(yi)減少(shao)負載和增加葉(xie)(xie)片長(chang)度，從而制造適合于低風速地區的大直徑風葉(xie)(xie)，使風能成本下降。

(5)可制(zhi)造自適應葉片

葉(xie)片(pian)裝(zhuang)在發(fa)電(dian)機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)輪輪上，葉(xie)片(pian)的(de)(de)(de)(de)(de)角度可(ke)(ke)調(diao)(diao)。目(mu)前主動型調(diao)(diao)節風(feng)(feng)機(ji)(activeutility-sizewindturhines)的(de)(de)(de)(de)(de)設計風(feng)(feng)速(su)為13to15m/sec(29to33mph)，當風(feng)(feng)速(su)超過時，則調(diao)(diao)節風(feng)(feng)葉(xie)斜(xie)(xie)度來分(fen)散超過的(de)(de)(de)(de)(de)風(feng)(feng)力，防止(zhi)對(dui)(dui)風(feng)(feng)機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)損害。斜(xie)(xie)度控制(zhi)系統對(dui)(dui)逐步改(gai)變的(de)(de)(de)(de)(de)風(feng)(feng)速(su)是有效的(de)(de)(de)(de)(de)。但對(dui)(dui)狂風(feng)(feng)的(de)(de)(de)(de)(de)反應(ying)(ying)太慢了，自(zi)適應(ying)(ying)的(de)(de)(de)(de)(de)各(ge)向異性(xing)葉(xie)片(pian)可(ke)(ke)幫助斜(xie)(xie)度控用(yong)系統(thepitchcontrolsystem)，在突(tu)然的(de)(de)(de)(de)(de)、瞬間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)和局部的(de)(de)(de)(de)(de)風(feng)(feng)速(su)改(gai)變時保持電(dian)流的(de)(de)(de)(de)(de)穩定。自(zi)適應(ying)(ying)葉(xie)片(pian)充分(fen)利用(yong)了纖維(wei)增強(qiang)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)特性(xing)，能(neng)產生(sheng)非(fei)對(dui)(dui)稱性(xing)和各(ge)向異性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)材(cai)料(liao)(liao)，采(cai)用(yong)彎曲(qu)/扭(niu)曲(qu)葉(xie)片(pian)設計，使(shi)葉(xie)片(pian)在強(qiang)風(feng)(feng)中旋轉(zhuan)時可(ke)(ke)減(jian)少瞬時負載。美國SandiaNationalLaboratories致力于自(zi)適應(ying)(ying)葉(xie)片(pian)(“adzptive”blade)研究，使(shi)1.5W風(feng)(feng)能(neng)從每kwh5美分(fen)降到4.9分(fen)，價格可(ke)(ke)和燃(ran)料(liao)(liao)發(fa)電(dian)相比。

(6)利用導電性能避免雷達擊

利用碳纖維的(de)(de)導電性(xing)能，通(tong)過特殊的(de)(de)結構設計(ji)，可有效地避免雷(lei)擊對葉(xie)片(pian)造成的(de)(de)損傷。

(7)降低(di)風力機(ji)葉片的(de)制造(zao)和(he)運輸(shu)成本

由于減(jian)少了(le)材料的(de)應用(yong)，所以纖(xian)維和(he)樹脂的(de)應用(yong)都(dou)減(jian)少了(le)，葉片變得(de)輕巧，制造和(he)運(yun)(yun)輸(shu)成本都(dou)會下降。可縮小工廠的(de)規模和(he)運(yun)(yun)輸(shu)設備。

(8)具有振動阻(zu)尼(ni)特(te)性。碳纖維的振動阻(zu)尼(ni)特(te)性可避免葉片自(zi)然頻率與塔(ta)暫(zan)短頻率間發(fa)生任何共振的可能性

5.碳(tan)纖維(wei)應用的主要問題和解決(jue)途徑

碳纖維應用的(de)缺陷：

(1)碳(tan)纖(xian)維(wei)(wei)是(shi)一種昂貴纖(xian)維(wei)(wei)材料，在(zai)(zai)碳(tan)纖(xian)維(wei)(wei)應用(yong)過程中，價格是(shi)主(zhu)要障礙，另外(wai)，性價比影(ying)響了它在(zai)(zai)風力(li)發電上的(de)大范圍(wei)應用(yong)。必須當葉

片超(chao)過一定尺寸后，因(yin)為材料(liao)用量(liang)下降，才(cai)能比玻纖(xian)葉片便(bian)宜。目前(qian)采用碳(tan)纖(xian)維和玻璃纖(xian)維共(gong)混結(jie)構(gou)是(shi)一種(zhong)比較好的(de)辦法，而且(qie)還綜合了(le)兩種(zhong)材料(liao)的(de)性能。另外一種(zhong)方法是(shi)采用從(cong)瀝青(qing)制造的(de)成本(ben)較低的(de)碳(tan)纖(xian)維，這種(zhong)碳(tan)纖(xian)維的(de)價格(ge)可(ke)以降到5美(mei)元/lb的(de)心理價位。

(2)CFRP比GFRP更(geng)具脆性，一(yi)般被認(ren)為更(geng)趨(qu)于疲(pi)勞，但是研究(jiu)表明(ming)，只(zhi)要注意生產質量的控制以及(ji)材料和結構的幾何條件，就(jiu)可足以保證(zheng)長期(qi)的耐(nai)疲(pi)勞。

(3)直徑較(jiao)小的(de)碳纖(xian)維表(biao)面積較(jiao)大，復(fu)合材(cai)料(liao)成型加(jia)工(gong)浸潤比較(jiao)困難。由于碳纖(xian)維叫、片一般采川(chuan)環(huan)氧樹脂制造，要通(tong)過(guo)降(jiang)低環(huan)氧樹脂制造的(de)熟(shu)度(du)而不降(jiang)低它的(de)力學性能是比較(jiao)困難的(de)，這也是一些(xie)廠家采用預浸料(liao)工(gong)藝(yi)的(de)原因。此外碳纖(xian)維復(fu)合材(cai)料(liao)的(de)性能受工(gong)藝(yi)眼影響敏(min)感(如鋪層方(fang)向)，對工(gong)藝(yi)要求較(jiao)高。

(4)碳纖維復合材料透明性(xing)差，難以進行內部(bu)檢查。

但碳(tan)纖(xian)維(wei)在(zai)大型葉片(pian)中的(de)應用已(yi)成為一種不可改變的(de)趨(qu)勢。目(mu)前，全球各大葉片(pian)制造商正在(zai)從原材料、工藝技(ji)術、質量控(kong)制等各方面(mian)進行深入研究(jiu)，以求降低成本，使碳(tan)纖(xian)維(wei)能在(zai)風力發電上得到更多的(de)應用。可通過(guo)如下(xia)的(de)途徑來促(cu)進碳(tan)纖(xian)維(wei)在(zai)風力發電中的(de)應用：

(1)葉(xie)片(pian)(pian)尺寸越大(da)，相對(dui)成本越低。因此對(dui)于3MW(40m)以上，尤其是(shi)5MW以上的(de)產品。目前大(da)規模安裝的(de)2.5-3.5MW機組采用了(le)輕質(zhi)、高性能的(de)玻璃纖(xian)維(wei)葉(xie)片(pian)(pian)，設計可(ke)靠，市場競爭力(li)強(qiang)，下一代5-10MW風力(li)機的(de)設計將更多(duo)的(de)采用碳纖(xian)維(wei)。

(2)采用特殊的(de)織物混(hun)編技術。根據葉片(pian)結(jie)構(gou)要(yao)(yao)求(qiu)，把碳纖維鋪設(she)在剛度和強度要(yao)(yao)求(qiu)最高的(de)方向，達到結(jie)構(gou)的(de)最優(you)化設(she)計(ji)。如TPI公司

采(cai)用碳(tan)纖維(wei)織(zhi)(zhi)物(wu)(wu)為800g三(san)軸向(xiang)織(zhi)(zhi)物(wu)(wu)(triaxialfabric)，由一層(ceng)(ceng)500g0°T-600碳(tan)纖維(wei)夾在兩層(ceng)(ceng)150g成(cheng)土45°的(de)玻(bo)纖織(zhi)(zhi)物(wu)(wu)內。對于(yu)原型葉(xie)片中，碳(tan)纖維(wei)成(cheng)20°，玻(bo)纖層(ceng)(ceng)的(de)三(san)軸向(xiang)織(zhi)(zhi)物(wu)(wu)為土65°and-25°，這種方(fang)向(xiang)的(de)鋪層(ceng)(ceng)可充分地控(kong)制剪切負載(zai)。旋轉織(zhi)(zhi)物(wu)(wu)意味著織(zhi)(zhi)物(wu)(wu)邊沿和葉(xie)片方(fang)向(xiang)成(cheng)20°角，逐(zhu)步地引入旋轉耦合(he)部件(thetwist-couplingcomponent)。

(3)采用(yong)大絲(si)來碳纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)。碳纖(xian)(xian)好牛產成本高(gao)，特別是高(gao)性能的(de)(de)(de)碳纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)生產成本生高(gao)，而葉片生產中(zhong)，采用(yong)大絲(si)束碳纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)可(ke)達到降低(di)生產成本的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)。如一種新型(xing)丙烯酸碳纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(美國專(zhuan)利(li)US6103211申(shen)請人：TORAYINDUSTRIES(JP))該發明(ming)的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)在于提(ti)供(gong)一種高(gao)強度的(de)(de)(de)碳纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)，所(suo)述(shu)的(de)(de)(de)碳纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)主(zhu)要(yao)包括大量的(de)(de)(de)滿足下(xia)列關(guan)系(xi)式的(de)(de)(de)細纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)：sigma>/=11.l-0.75d，其中(zhong)的(de)(de)(de)sigma指(zhi)碳纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)抗張強度，d指(zhi)細纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)的(de)(de)(de)平均直徑。這(zhe)種碳纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)適用(yong)于風力機葉片材料等與能源相關(guan)的(de)(de)(de)設備，或者作(zuo)為道路、大橋的(de)(de)(de)加強結構層。

(4)采用新型(xing)成(cheng)型(xing)加工(gong)技術(shu)，如(ru)VARTM和Light-RTM技術(shu)。

在目(mu)前的生(sheng)產中，須浸料和真(zhen)空輔助樹脂傳遞(di)模塑工藝已成為(wei)兩(liang)種最(zui)常用替代濕法鋪層技(ji)術;對于(yu)40m以上葉(xie)片(pian)，大多數制造商采(cai)用VARTM

技(ji)術(shu)(shu)。但VESTAS和(he)GAMESA仍使用預(yu)浸料(liao)工(gong)藝。技(ji)術(shu)(shu)關鍵是控(kong)制(zhi)樹脂粘(zhan)度、流動性、注入孔設計和(he)減少材料(liao)孔隙率。

在(zai)大(da)型葉(xie)(xie)片(pian)(pian)制(zhi)造(zao)中，由于(yu)碳纖維的(de)(de)使用，聚(ju)酯樹脂(zhi)已(yi)被環(huan)氧樹脂(zhi)來替代;利用大(da)然纖維-熱(re)塑性樹脂(zhi)制(zhi)造(zao)的(de)(de)“綠色(se)葉(xie)(xie)片(pian)(pian)”近年來也倍受重視(shi)，如(ru)愛爾蘭的(de)(de)Gnth公司(si)已(yi)負(fu)責制(zhi)造(zao)12.6米長的(de)(de)熱(re)塑性復(fu)(fu)合(he)材料葉(xie)(xie)片(pian)(pian)，Mitsubishi(三菱)公司(si)將負(fu)責在(zai)風力發電機上進行“綠色(se)葉(xie)(xie)片(pian)(pian)的(de)(de)試(shi)驗”。如(ru)果試(shi)驗成(cheng)功后，他們(men)將繼(ji)續研(yan)究開發30米以上的(de)(de)熱(re)塑性復(fu)(fu)合(he)材料標準(zhun)葉(xie)(xie)片(pian)(pian)。

為了降(jiang)低模(mo)(mo)(mo)具(ju)(ju)(ju)(ju)成(cheng)本，減(jian)輕模(mo)(mo)(mo)具(ju)(ju)(ju)(ju)重(zhong)量，大型復(fu)合(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)葉(xie)(xie)片(pian)的制(zhi)造(zao)模(mo)(mo)(mo)具(ju)(ju)(ju)(ju)也逐(zhu)漸由金(jin)屬(shu)模(mo)(mo)(mo)具(ju)(ju)(ju)(ju)向著(zhu)復(fu)合(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)模(mo)(mo)(mo)具(ju)(ju)(ju)(ju)轉變(bian)，這也意味(wei)著(zhu)復(fu)合(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)葉(xie)(xie)片(pian)可以做得更長。另外(wai)，由于模(mo)(mo)(mo)具(ju)(ju)(ju)(ju)與葉(xie)(xie)片(pian)采用了相同的材(cai)(cai)料(liao)(liao)，模(mo)(mo)(mo)具(ju)(ju)(ju)(ju)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的熱(re)膨脹(zhang)系(xi)數與葉(xie)(xie)片(pian)材(cai)(cai)料(liao)(liao)基本相同，制(zhi)造(zao)出的復(fu)合(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)葉(xie)(xie)片(pian)的精度和尺(chi)寸穩(wen)定性均優于金(jin)屬(shu)模(mo)(mo)(mo)具(ju)(ju)(ju)(ju)制(zhi)造(zao)的葉(xie)(xie)片(pian)產品(pin)。

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