碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中的應(yīng)用研究

王凱澤

摘 要：隨著社會(huì)不斷發(fā)展，生產(chǎn)活動(dòng)造成的環(huán)境污染問題日益突出，因此開發(fā)新能源成為了當(dāng)今各個(gè)國(guó)家關(guān)心的問題。因此風(fēng)能的開發(fā)顯得十分重要，在風(fēng)能開發(fā)環(huán)節(jié)，風(fēng)葉的材料對(duì)風(fēng)葉影響巨大，碳纖維的使用大大增加了風(fēng)葉強(qiáng)度，優(yōu)化其性能，也提高了風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)能的利用率。本文就對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行介紹，并對(duì)其在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：炭纖維復(fù)合材料；風(fēng)力發(fā)電；風(fēng)電機(jī)葉片

引言：風(fēng)力發(fā)電是現(xiàn)今重要的新能源形式，而風(fēng)電葉片的性能直接影響到了對(duì)風(fēng)能的利用率，隨著社會(huì)對(duì)于電力資源的需求不斷增加，風(fēng)電葉片尺寸需要向著更大、更輕方向發(fā)展。因此研究碳纖維及應(yīng)用著實(shí)重要。

一、碳纖維復(fù)合材料概述

碳纖維是含碳量高于90%的一種無機(jī)纖維材料，其力學(xué)性能十分優(yōu)越，強(qiáng)度十分高，而且耐熱、抗熱沖擊能力強(qiáng)、比重小，不僅僅有用碳材料本有的特點(diǎn)，又有很強(qiáng)的柔軟性，可以制造成各種形狀的材料，有很強(qiáng)的的應(yīng)用前景。但是材料造價(jià)教高，這也是限制此材料發(fā)展的因素之一。

二、碳纖維在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1 提高葉片剛度、減輕葉片質(zhì)量

碳纖維材料其密度比較小，與常用的玻璃纖維相比碳纖維密度是玻璃纖維的70%，然而強(qiáng)度是其140%，而其比模量十分大，是玻璃纖維的3倍多，在風(fēng)電葉片中采取CFRP材料將會(huì)使葉片的總質(zhì)量大幅度減小。

2 提高葉片抗疲勞性能

通常為了獲取更好的風(fēng)力資源，風(fēng)機(jī)通常都是在遠(yuǎn)離城市的惡劣環(huán)境中工作，全天候運(yùn)作且常要承受太陽(yáng)暴曬、雨淋、霜凍、雷電等自然考驗(yàn)，風(fēng)葉容易受到損傷。然而根據(jù)研究與實(shí)踐結(jié)果表明，采取碳纖維材料或者將其與樹脂材料混合用來制造風(fēng)機(jī)葉片，可以明顯提高風(fēng)機(jī)抵抗惡劣環(huán)境的能力。

3 可以制造自適應(yīng)葉片

利用碳纖維材料制造的葉片，可以對(duì)葉片的角度進(jìn)行調(diào)整?，F(xiàn)階段主動(dòng)性調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)其設(shè)計(jì)風(fēng)速約為14m/s，當(dāng)風(fēng)速較高時(shí)，可以調(diào)節(jié)風(fēng)葉的偏斜角度，將部分風(fēng)力抵消，保護(hù)風(fēng)機(jī)。然而風(fēng)葉斜度改變是建立在風(fēng)速逐步改變的基礎(chǔ)上，當(dāng)遇到風(fēng)速突然改變的狂風(fēng)時(shí)，系統(tǒng)反應(yīng)十分慢，不能及時(shí)保護(hù)風(fēng)機(jī)。但是碳纖維材料制造的風(fēng)葉，可以生產(chǎn)出彎曲、不對(duì)稱的葉片，減少遇到狂風(fēng)時(shí)給風(fēng)機(jī)帶來的負(fù)載，保護(hù)風(fēng)機(jī)。

4 可以降低風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的成本

因?yàn)樘祭w維優(yōu)越的輕質(zhì)高強(qiáng)特點(diǎn)，使得風(fēng)葉在制造過程中應(yīng)用的材料減少，而且葉片變得輕，減少了運(yùn)輸與安裝施工的壓力，使風(fēng)力發(fā)電事業(yè)投入的生產(chǎn)成本大大降低。

5 使風(fēng)機(jī)輸出功率更平衡，提高風(fēng)能利用效率

上文已經(jīng)介紹了碳纖維材料密度小，比模量大，通過使用大大減小了葉片的質(zhì)量，提高了葉片的剛度。也正是因?yàn)槿~片質(zhì)量的減小，使得葉片對(duì)輪轂與塔架的負(fù)載明顯降低，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)更均衡平滑的作業(yè)，能更加充分的利用好風(fēng)能。同時(shí)根據(jù)碳纖維的特點(diǎn)可以設(shè)計(jì)出更薄、更長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的葉片，增加對(duì)了風(fēng)能利用率，使得可以獲取更多的電能。

三、碳纖維在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中的應(yīng)用

根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果可以知道當(dāng)增加風(fēng)葉長(zhǎng)度時(shí)，其質(zhì)量增加與風(fēng)葉長(zhǎng)度的三次方正正比，而提取的電能僅僅與風(fēng)葉的二次方正正比，因此加長(zhǎng)風(fēng)葉，其質(zhì)量比獲取的電能增加的多，也正是這個(gè)原因限制了風(fēng)能的有效利用。傳統(tǒng)的材料在生產(chǎn)實(shí)際中顯示出了諸多的問題，質(zhì)量大，強(qiáng)度低，而且難以在惡劣環(huán)境中保持良好的工作性能，因此就需要才風(fēng)葉制造環(huán)節(jié)加入碳纖維材料，不僅僅降低了風(fēng)葉質(zhì)量，而且大大提高了風(fēng)葉的強(qiáng)度。然而碳纖維材料較為昂貴，風(fēng)葉制造完全采取此材料會(huì)是成本大大增加，與我們風(fēng)力發(fā)電的節(jié)能減排思想違背。因此主要是在風(fēng)葉的主要部位采取碳纖維材料。很多部位都是碳纖維與玻璃纖維混合使用。

上圖1為橫梁；2為風(fēng)葉的前后邊緣；3是風(fēng)葉的表面。此三部分都是風(fēng)葉中關(guān)鍵部位，也是碳纖維主要使用的部位。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，可以知道碳纖維在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中應(yīng)用使葉片的性能大大增加，在如今國(guó)內(nèi)外對(duì)新能源的迫切需求下，進(jìn)一步研究提高風(fēng)葉性能的材料仍是國(guó)內(nèi)研究者需要繼續(xù)努力的方向。

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