碳纤维在风电叶片中的应用

　　1.风力发电技术的发展

　　风电的价格和风机功率成反比，风机率越大，单位发电成本越低(表l)。随着现代风电技术的发展与日趋成熟，风力发电机组的技术沿着增大单机容量、减轻单位千瓦重量、提高转换效率的方向发展。上世纪80年代早期到中期，典型的风电机组单机容量仅20～60kw;从80年代末期到90年代初期，风电机组单机容量从100kw增加到达500kw;到90年代中期，典型的风电机组单机容量为750-1MW;到90年代末，风电机组单机容量已经达到2.5MW;目前已达3.5MW以上，世界平均单机容量为1Mw，最大单机容量为5Mw。预计2010年将开发出10MW的风电机组。

　　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。对于500kw-2.5MW的风力机，叶片长13.5-39米(丹麦LM Glasfiber公司制造);660kw-1.65MW的风力机，叶片长23-39米(丹麦 Vestas Wind SystemsAS制造)。在兆瓦级风电机组中，如1MW的叶片长31米，每片重约4-5t;1.5MW 主力机型风力机叶片长34～37m， 每片重约6t;目前商业化风力发电所用的电机容量一般为1.5—2.0MW，与之配套的复合材料叶片长度大约32—40米，重6-8t;现代的54m大型叶片重13t。现今世界上最大5MW的风力发电机的叶片长61.5米，单片叶片的重量接近18 t，旋转直径可达126.3米。

　　叶片也是风机中成本最高的部件，虽然它的重量不到风机重量的15%。Peter Jamieson认为风叶成本约占风电成本的10%。 风叶类似于航空叶片，要求提高提升比(Lift-to-drag ratio)，并且其提升特性不易受叶片表面污染和粗糙度影响。从结构考虑要求叶片有较厚的叶型。叶片要经受20年应用，以受风力造成的疲劳次数达10(也有以500万次作标准)。随着风机功率的增加，风叶尺寸也相应增加。表1所示为不同年份风机功率、风叶尺寸和风电价格的变化趋势。

　　2.碳纤维在风力发电机叶片中的应用

　　当叶片长度增加时，重量的增加要快于能量的提取，因为重量的增加和风叶长度的立方成正比(图1)，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。减轻叶片的重量，又要满足强度与刚度要求，有效的办法是采用碳纤维增强。国外专家认为，由于现有材料性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于叶片时，采用忏能更好的碳纤维复合材料是势在必行。根据国外有关资料报道，当风力机超过3MW、叶片长度超过40米时，在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纤叶片便宜，因为材料用量、劳动力、运输和安装成本等都下降了。