试论碳纤维复合材料在风力发电机中的应用

摘要：随着国内可持续经济的不断深入，对节能环保越来越重视，为了可持续经济的发展风能逐渐成为重要的一环。近几年国家对风能的投入日渐增多成几何式发展，大量企业涌入风能产业，风能的开发有了长足的发展，随着风能的发展对风能的利用效率提出了新的要求，采用提高风力发电机的效率和发电量以来获取更多的能源，可以采取不断加大叶片的长度来增加能量转换效率这对于增强材料的强度和等性能，特别适合风能资源丰富的地区，使得人们需要寻找更好的材料，碳纤维逐渐进入人们的视野。

关键词：风力发电；风力发电机叶片；碳纤维复合材料

1、风力发电技术的发展现状

传统的消耗能源石油是一种不可再生的能源，终会有用完的一天，到时候人类社会会出现及其严重的能源危机，现在地底下的石油已经越来越少了，贪恋的人们向更深的大海，更深的地底索取石油，终于有一部分人们意识到了寻找清洁的可再生能源的重要性，人们开始恐慌，为了实现人类社会长久的可持续发展，为了人们的未来人们开始寻找一种更好的能源。风能作为一种清洁，安全，可再生的绿色能源，重新格外引起人们的重视，对现今社会的能源结构的调整，减少温室气体的排放，缓解环境污染，加强能源安全等方面都有积极作用。

近10的实际数据表明了，风能已经开始成为全世界增长最快的能源之一。根据联合国统计，已经有一百多个国家在使用风能发电，风能发电无处不在，开始走进千家万户中，到了2015年风力发电机新增6242万kw全球风力发电机总数从2005年的5900万kw增加到了43242万kw，近几年每年都以20%左右速度增长，全球风力发电机单位前五的国家分别是中国、美国、德国、印度、西班牙。这些国家风力发电机容量均超过2000万kw，其中中国超过一万万kw。 2、碳纤维技术的发展

碳纤维是一种纤维状碳材料。它具有很多的优点，强度高，密度小，耐高温，耐腐蚀的新型复合有机材料。碳纤维是通过纤维在高温的碳化来制取的。碳纤维复合材料在很多领域都有很多的应用人们在努力研究当中。碳纤维是一种高强度、密度小，耐高温，耐腐蚀的材料比传统的玻璃纤维具有很多优势，实际使用当中具有很多体现。当前固体火箭发动机结构件用的碳纤维大多就由聚丙烯腈纤维制做而成。上世纪五十年代碳纤维刚刚被发现的年代，只是被应用在耐高温上面，直到后来才发现有很多的优点开始被广泛应用于很多领域当中去。中国在2010左右已经突破日本的技术垄断独立自主的研究出了高性能的碳纤维复合材料大量碳纤维厂商拔地而起。经过了二三十年的长足发展，碳纤维已经被广泛应用于众多领域。不同种类、不同性能的碳纤维可满足不同需要，为碳纤维复合材料的广泛应用提供了坚实基础。

3、碳纤维在风力发电技术中的应用

3.1碳纤维在风力发电机叶片中的应用优势

叶片的长度和质量和能量成正比，而风力发电机生产的电能和风叶长度的成正比。当叶片长度的增加时，材料的强度需要很大的提升，然而当人们把传统的玻璃纤维用于大型风力发电机当中时发现其强度不够，刚度也不够，容易损坏造成事故，其性能不足以胜任大型风力发电机。为了保证在大型风力发电机当中的

应用，风力发电机的叶片一定要提高强度和刚度来应对需求。所以碳纤维引起了人们的重视，碳纤维及能减轻叶片重量，又能满足强度和刚度上的要求，碳纤维是大型风力发电机优秀的叶片材料。玻璃纤维已经不能胜任在大型风力发电机叶片的材料要求了，因此，采用碳纤维已经是重中之重。 3.2叶片复合材料设计位置分析

随着叶片长度的增加，对材料刚度提出了更高的要求。玻璃纤维复合材料的性能已经越来越不能满足人民的需求了，特别是在大型的风力发电机中的应用传统的玻璃纤维已经显现出很多的性能不足，现在碳纤维在风力发电机的应用比重越来越高，传统玻璃纤维的在风力发电机的应用增长缓慢。碳纤维比玻璃纤维成本要高很多，如果要采用1百分之一百的碳纤维来制造一个叶片成本上说是不合理的。现在国内外大型风力发电机大多采用碳纤维复合材料和传统玻璃纤维材料混合使用，把碳纤维用与一些关键的梁表面等位置。 4、碳纤维应用的主要问题和解决方法 4.1碳纤维应用存在的主要问题

（1）碳纤维的成本昂，花费和制造工艺比传统的玻璃纤维高很多，在人们推广使用碳纤维作为风力发电机叶片的主要材料的过程中，价格是主要障碍因素之一。

（2）碳纤维复合材料的加工制造比较困难，无法采取大规模生产对工艺的要求很高，国内能制造碳纤维的厂商不多限制了产量。

（3）碳纤维复合材料透明性差，难以进行内部检查。 4.2解决途径

碳纤维在大型叶片中的应用已成为一种不可改变的趋势。现在，国内外各风力发电机的企业正在深入研究，以降低碳纤维的降低成本，使的碳纤维复合材料在风力发电机上得到更多的应用。

可通过如下的途径来促进碳纤维在风力发电中的应用。

(1)小型风力发电机还是用传统的玻璃纤维作为叶片的材料，在小型风力发电机碳纤维的优势并不能完美体现而且成本高昂，碳纤维更适合用于大型风力发电机当中代替玻璃纤维。碳纤维复合材料更适于3MW以上叶片大于40米的大型风力发电机当中。因为材料的重量下降，比传统的玻璃纤维叶片更便宜更经济。 (3)采用大丝束碳纤维，叶片生产中采用大丝束碳纤维可达到降低生产成本的目的。

(4)碳纤维复合材料采用新的加工工艺，通过真空树脂摸的传递使得模塑的工艺保持在两种最常用的替代传统的铺层技术，对于50米以上叶片，大多数企业采用新的技术。但传统的工艺和新的工艺还是要用到预浸料手段。核心的技术用控制树脂的终浓度、流水性、注射孔的设计和孔的直径。在大型风力发电机叶片制造中，因为碳纤维的使用传统的玻璃纤维制造方法已经不适应了。另外，由于模具与叶片采用了相同的材料，模具材料的热膨胀系数与叶片材料基本相同，制造出的复合材料叶片的精度和尺寸稳定性均优于金属模具制造的叶片产品。 参考文献

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