碳纖維在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中的應(yīng)用

呂召濤

摘 要：碳纖維作為一種新型材料，有其余材料不及的優(yōu)勢(shì)所在，將碳纖維應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片上，解決了風(fēng)電葉片現(xiàn)存在的問題，滿足了風(fēng)電的大型化趨勢(shì)，為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展提供了更有利的條件。本文還簡(jiǎn)要分析了在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中用碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)和遇到的問題，提出了對(duì)應(yīng)的方案。

關(guān)鍵詞：碳纖維;風(fēng)力發(fā)電;發(fā)電機(jī)葉片

1 碳纖維簡(jiǎn)述

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可簡(jiǎn)稱為碳纖維，碳纖維最基本的構(gòu)成單元是碳絲，碳絲可通過化學(xué)、機(jī)械方法轉(zhuǎn)變?yōu)樘祭w維織物，用于碳纖維制件。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造的用品有很多類型，工藝不同則制成的產(chǎn)品不同。碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定，具有耐腐蝕性，而且耐疲勞、耐高溫，還可導(dǎo)熱、導(dǎo)電，它的比強(qiáng)度和比模量較于其余材料都處于高水平，制作碳纖維的難度和要求都很高，碳纖維的需求量極大，價(jià)格昂貴。

2 碳纖維的應(yīng)用

碳纖維材料被稱為“21世紀(jì)材料之星”，它具有廣泛的應(yīng)用并不斷發(fā)展，深受歡迎，諸多領(lǐng)域均有涉及到碳纖維。碳纖維的質(zhì)量輕，很多體育器材，例如高爾夫球桿、自行車、皮劃艇、網(wǎng)球拍等被希望有很輕的質(zhì)量，賽車、摩托艇等運(yùn)動(dòng)器材也最好質(zhì)量輕，碳纖維材料符合人們的要求，它的密度比其余材料小，比強(qiáng)度、比模量突出，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，耐疲勞強(qiáng)度高，破損安全性能好，熱膨脹系數(shù)低，阻尼大，制作出的制品不僅質(zhì)輕還堅(jiān)、剛。

撐竿是一步步發(fā)展到用最好材質(zhì)的，最初的山胡桃木，結(jié)實(shí)又重，彈性不夠，儲(chǔ)能差，無法很好地展現(xiàn)選手的優(yōu)勢(shì)，浪費(fèi)了很多動(dòng)能;于是，竹竿出現(xiàn)了，它質(zhì)量輕又有彈性，對(duì)比木質(zhì)竿是個(gè)好選擇，但仍不能足夠令人滿意;尼龍撐竿、玻璃纖維竿先后被使用，如今，碳纖維撐竿擁有更好的性能，竿柔軟卻結(jié)實(shí)，且各部位的材質(zhì)由撐竿受力差異性決定，目前來說令人滿意，運(yùn)動(dòng)員助跑的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為撐竿的彈性變形能，撐竿被壓到最大限度時(shí)，這部分能量轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，使運(yùn)動(dòng)員可借力騰空，飛越橫桿。大型網(wǎng)球拍要求網(wǎng)線拉力強(qiáng)，使打球時(shí)不會(huì)變形，碳纖維的特點(diǎn)使其可滿足網(wǎng)球拍的制造要求，制作出的網(wǎng)球拍能給運(yùn)動(dòng)員帶來舒適感及運(yùn)動(dòng)快感。自行車中用到的碳纖維材料使車有好的剛性及減震性，且質(zhì)量較輕，外觀美麗。碳纖維材料的運(yùn)用在一定程度上提高了體育科技水平，好的運(yùn)動(dòng)設(shè)施能更大限度展示運(yùn)動(dòng)員的優(yōu)勢(shì)，甚至突破其極限。

除了運(yùn)動(dòng)器材方面，碳纖維在軍工、汽車工業(yè)、醫(yī)療、交通運(yùn)輸、能源裝備、航空航天等領(lǐng)域均有運(yùn)用。

3 風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展

風(fēng)力發(fā)電是一種新型發(fā)電手段，成本低、無污染，可減少資源的浪費(fèi)，保護(hù)氣候及環(huán)境，是很有開發(fā)潛力的可再生能源，因此，風(fēng)力發(fā)電受到了越來越多的重視，眾多政策相繼出臺(tái)，只為促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的發(fā)展。但風(fēng)力發(fā)電也有很大的弊端，風(fēng)具有間歇性且風(fēng)力大小無法妥善控制，有時(shí)風(fēng)大有時(shí)風(fēng)小，有時(shí)有風(fēng)有時(shí)無風(fēng)，風(fēng)力大多在夜間很大，白天風(fēng)力相對(duì)小，早晚比中午的風(fēng)力大，剛好與人類作息規(guī)律相反，風(fēng)電發(fā)出的電無法直接使用，還需借助火電使用。目前，我國風(fēng)力發(fā)電行業(yè)仍處于建設(shè)階段，大型化是當(dāng)前風(fēng)電的主要發(fā)展趨勢(shì)，如今風(fēng)電技術(shù)逐步發(fā)展且正在走向成熟，對(duì)其的研究也越來越深入，針對(duì)風(fēng)力發(fā)電的不足之處也分析了很多措施。

4 碳纖維在風(fēng)機(jī)葉片中的運(yùn)用

從前的風(fēng)機(jī)葉片材料通常是木材，布料，金屬等傳統(tǒng)材料，但為了提高葉片性能，現(xiàn)在的風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)中使用了許多新材料，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料就屬于其中一種新型復(fù)合材料。

基體、增強(qiáng)纖維組成了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。基體常用熱塑性或熱固性材料，材料的強(qiáng)度和模量都比較低，但其擁有好的粘彈性和彈塑性，并且有高的應(yīng)變。纖維材料直徑較小，通常小于10μm，缺陷較少，不易被腐蝕或損害。

想增強(qiáng)葉片的功率，必須增加葉片的長度，同時(shí)還增加了相同葉片的重量，葉片長度增加的時(shí)候，質(zhì)量增加速度要快，超過提取能量的速度。由于風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的電能與葉片的長度成正比，因此在這種情況下，選擇葉片的材料對(duì)于獲得更好的設(shè)計(jì)極其重要。傳統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)通常使用玻璃纖維葉片，玻璃纖維的重量大，不足之處很多，性能已近乎達(dá)到極限。風(fēng)力機(jī)葉片材料選擇更趨向于重量低、性能好的碳纖維復(fù)合材料。

葉片剛度要強(qiáng)，以確保在極端風(fēng)載時(shí)，葉片的葉尖接觸不到塔架。在選擇材料的時(shí)候要考慮重量、剛度、強(qiáng)度等多方面因素，采用碳纖維可增強(qiáng)性能，達(dá)到預(yù)取效果。碳纖維材料可以用于風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)中，它比玻璃纖維的性能更好，且能滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率的高要求，符合風(fēng)電機(jī)葉片的材料需求，且當(dāng)葉片超過一定尺寸后，碳纖維葉片反而比玻璃纖維葉片便宜，因?yàn)椴牧嫌昧?、勞?dòng)力、運(yùn)輸和安裝成本等都下降了。

將碳纖維復(fù)合材料用到風(fēng)電葉片上，可以改善葉片的強(qiáng)度、剛度，使葉片的粘彈性和可塑性增加，并且更耐負(fù)載。碳纖維有質(zhì)量輕，強(qiáng)度、剛度高的性能，能滿足大型葉片開發(fā)對(duì)材料的要求。碳纖維材料用到葉片上，很好地發(fā)揮了它的優(yōu)勢(shì)。

5 碳纖維的應(yīng)用部位

葉片的發(fā)展越來越向大型化靠近，單一的材料已經(jīng)無法滿足葉片的發(fā)展需求，選擇復(fù)合材料已經(jīng)成為必然趨勢(shì)，復(fù)合材料由兩種及以上材料合成，性能較單一材料有更好的改善，它的可設(shè)計(jì)性讓單層方向上的強(qiáng)度和剛性均可達(dá)到預(yù)期，它的各向異性導(dǎo)致耦合的發(fā)生。將彎扭耦合運(yùn)用到風(fēng)電葉片上，此時(shí)葉片由于受到彎矩作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制其氣彈變形，優(yōu)化葉片的功率輸出。碳纖維的價(jià)格昂貴讓完全采用碳纖維制葉片顯得奢侈而又不劃算，所以碳纖維最好用在極需要它的重要部位。

橫梁是風(fēng)電葉片中最需要用到碳纖維的部位;葉片的表面全部需要用到碳纖維，以降低內(nèi)支撐梁所受的壓力;在葉片的前后邊緣用上碳纖維，剛度提高、重量降低的同時(shí)還可防止葉片被雷擊中受到損壞;葉片的根部同樣是關(guān)鍵部位，使用碳纖維能提高其抗破損力，降低載荷。

碳纖維的昂貴注定它要用到最需要它的部位，既節(jié)省成本，又可以發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，對(duì)葉片起到有利作用。

6 在葉片中用碳纖維材料的好處

碳纖維材料本身具有很多優(yōu)良性能，應(yīng)用到葉片上，可以增強(qiáng)葉片的強(qiáng)度、剛度，降低葉片的重量，避免風(fēng)電葉片過重給風(fēng)力發(fā)電工作造成困擾，同時(shí)減小葉尖碰到塔的問題發(fā)生的概率。用傳統(tǒng)材料制作風(fēng)電葉片時(shí)有很多問題，風(fēng)資源的浪費(fèi)就是其中一個(gè)問題，剛度高的材料可以提高資源的利用率，顯然，傳統(tǒng)的材料并不具備這一特性，最終試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，碳纖維材料可以滿足這一要求，風(fēng)能利用率提高，風(fēng)資源的浪費(fèi)被減少，轉(zhuǎn)化為更多電力，使能量輸出功率更均衡，效率也得以提高。普通材料制成的葉片是有劣勢(shì)的，環(huán)境也可以輕而易舉影響到發(fā)電的質(zhì)量以及效率，尤其是遇到惡劣天氣，普通材料制成的葉片完全適應(yīng)不了這樣的環(huán)境，進(jìn)而影響到發(fā)電效率，于是，碳纖維材料又派上了用場(chǎng)，它不容易被環(huán)境影響，并且具有優(yōu)于普通材料的抗腐蝕性、抗疲勞性，天氣變化并不會(huì)對(duì)其造成過多影響，發(fā)電效率也得到了保障。碳纖維被提到最多次的就是可以減重，可以提高剛度、強(qiáng)度，可以增加葉片的長度，制造大型葉片運(yùn)用碳纖維可降低風(fēng)能的成本。

7 應(yīng)用碳纖維時(shí)遇到的問題及措施

碳纖維的價(jià)格昂貴是它的主要問題，直接影響了它在風(fēng)力發(fā)電方面的大規(guī)模運(yùn)用。顯然，前面也稍許提到了解決方案，當(dāng)葉片大型化后，使用碳纖維材料比較實(shí)惠，大絲束碳纖維亦可降低成本，另外，將碳纖維用到風(fēng)電葉片的關(guān)鍵部位，提高性能的同時(shí)減少花費(fèi)。碳纖維直徑小時(shí)，它的表面積較大，材料加工時(shí)不容易，且容易受工藝眼影響，要求有高的工藝水平，于是，采用新型成型加工技術(shù)是必然趨勢(shì)，預(yù)浸料工藝法可作為選擇。

8 結(jié)語

事物均有兩面性，有利必有弊，碳纖維葉片有眾多優(yōu)勢(shì)，也存在些許問題，針對(duì)其問題思考對(duì)應(yīng)的解決方案，促進(jìn)碳纖維的進(jìn)一步應(yīng)用。

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