碳纤维与风力发电机

风电的价格和风机功率成反比，风机功率越 大，单位发电成本越低(表1)。随着现代风电技术的发展及日趋成熟，风力发电机组研究沿着增大单机容量、减轻单位千瓦质量、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;90年代初期，增加到500kW; 90年代中期，为750kW——1MW;90年代末，已达到 2.5MW;目前世界平均单机容量为1MW，最大单机容量为5MW。预计2010年将开发出单机容量为10MW的风电机组。

      1、叶片是风力机的关键部件之一，涉及气动、复合材料架构、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~ 39.0m(丹麦LMGlasfiber公司制造);660kW~1.65MW的风力机，叶 片长23~39m(丹麦VestasWindSystemsAS制造)。在兆瓦级风电机组中，如1MW的叶片长31m，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~ 40m，重6~ 8t;现代的54m大型叶片重l3t。现今世界上最大5MW的风力发电机的叶片长61.5m，单片叶片的质量接近18t，旋转直径可达126.3m。 叶片也是风机中成本最高的部件，虽然它的质量不到风机质量的15%。却占风机成本的15%~ 20%。风叶类似于航空叶片，要求提高“提升比”(Lift-to-dragratio)，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20a应用，以经受风力造成的疲劳次数达108(也有以500万次作标准)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，质量的增加要快于能量的提 取，因为质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。减轻叶片的质量，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子叶片时，采用性能更好的碳纤维复合材料势在必行。”他们认为当风力机超过3MW、叶片长度超过40m时，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璃纤维叶片便宜，因为材料用量、劳动力、运输和安装成本等都下降了。

3、碳纤维在风力发电机叶片中应用的主要部位

　　由于碳纤维比玻璃纤维昂贵，采用百分之百的碳纤维制造叶片从成本上来说是不合算的。目前国外碳纤维主要是和玻璃纤维混和使用，碳纤维只是用在一些关键的部分。碳纤维在叶片中应用的主要部位有：

　　(1)横梁(Spar)，尤其是横梁盖(SparCaps)。

　　(2)前后边缘，除了提高刚度和降低质量外，还起到避免雷击对叶片造成损伤(专利US6457943B1)的作用，如图3中涂黑的部分采用碳纤维。

　　(3)叶片的表面，采用具有高强度特性的碳纤维片材
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