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浅谈风电叶片碳纤维复合材料应用
李倩
（中航惠跨风电设备股份有限公司，河北保定071000）
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摘要：风电叶片在设计的过程中，尺寸趋来趋大，重量也不断增加，由予叶片强度以及剧度有个硬性要求，所以，设计人页要避免在叶突在特球的条件下，在运转的过程中，出现硅撞塔架的间题。碳纤维复合材料是一种新型的材料，将其应用在风电叶片中，可以发挥出复合材科的优势，可以减轻叶片的重量，还可以增加其强度。风电叶片具有发电的功能，达项技术是利用可再生资源进行发电，具有良好的应用前录景，所以，设计人员一定要做好碳纤维复合材料的研究工作，将其性能发挥到极致，
关键词：风电叶片；碳纤维：复合材料；应用
风能属于可再生资源，利用风能进行发电，具有较强的环保意
塑性，可以使叶片承受较大的荷载，还可以增加叶片的抗质蚀性
义。风电叶片是风能发电时需要应用的重要设备，随着科技的不断进步，风电叶片的材质出现了较大的变化，设计人员在叶片设计中应用了碳纤维复合材料，这种材料的质量比较轻，由于风电机组电机容量在不断加大，所以，叶片的长度也在不断增加，而叶片的长度过长，容易发生醒撞塔架的间题。本文对碳纤维复合材料的优缺点进行了介绍，希望可以促进这种新型材料在风电叶片设计中更好的应用。
1风力发电技术的发展现状
风力发电是当前发电部门重点研究的技术，这项技术具有环保与经济节省的意义，风电技术发展日趋成熟，风机的功率越大，单位发电的成本则越低。在风力发电的过程中，需要应用风能以及风电叶片，其中叶片是风力机的重要组成部分，其涉及的领域比较广，还需要应用多种复合材料。叶片的长度一般与风机的功率成正比，为了提高风机的功率，涉及人员需要增加叶片的长度，这也容易增加叶片的重量。叶片是风机中成本较高的部件，而叶片的重量一般为风机总重的15%左右。叶片设计是一项重要的工作，为了降低叶片的成本，提高其运转的功率，设计人员必须务力提高其提升比，要根据叶片运转的特性，避免叶片表面受到污染，还要改造叶片的粗糙程度。从叶片的结构出发，也必须是其有一定厚度的叶型，面且还要具有超过20年的使用寿命，在风力作用下，其疲劳次数要大于500 万次。在风力发电部门，对风机功率有着较高的要求，设计人员需要增加叶片的尺寸，还要降低叶片制作的成本，这样才能促进风力发电技术更好的发展。
2碳纤维复合材料在风电叶片中的应用
为了提高叶片的功率，需要增加叶片的长度，这也会增加叶片的重量，由于叶片的重要与其长度成正比，所以，风机产生的电能，也与风电叶片的长度成正比，在设计叶片时，对材料的选择有着一定要求，叶片的强度以及刚度需要符合相关要求，在增加叶片长度的同时，也尽量避免其重量的增加。传统的叶片多采用的是玻璃纤维，这种材质的重量比较大，与复合材料相比，其性能存在较多的不足。在极端风载作用下，叶尖不能碰触到塔架，叶片必须具有较强的刚度，在减轻叶片重量时，还要保证其刚度以及强度不会出现降低。碳纤维复合材料是一种新型的材料，将其应用在风电叶片的制造中，可以很好的满足风力发电装置的大功率需求，其突破了玻璃纤维复合材料的性能极限，面且可以保证风电叶片在增加长度的同时，重量大大降低了。碳纤维复合材料具有较高的性能，在风电叶片的应用中具有良好的应用前景。当风力机长度超过40m时，必须应用碳纤维材料，叶片设计超过40m后，应用碳纤维材料反面更加经济节省，这种材料的用量比较少，而且重量比较轻，在运输的过程中，可以节省更多的劳动力，并且这种材料的叶片安装也比较简单，安装成本也比较低。通过对比发现，应用碳纤维材料，其弹性模量与玻瑞纤维相比，增加了2-3借，所以复合材料具有高弹轻质的优势碳纤维制造的风电叶片，其重量与玻璃纤维相比，也减少了70%-80%左右。传统的风机叶片是由木材、金属等材料构成，在对叶片设计进行改进与优化后，叶片的性能大大提高了，采用碳纤维复合材质后，风电叶片主要是由基体纤维以及增强纤维构成的，这种材料可以大大增加叶片的强度以及刚度，可以增加叶片的粘弹性以及
在风力机叶片材料方面，过去的风机叶片材料主要包括本材帆布，金属等传统材料，而现在为了提高叶片的性能，许多新型复合材料被运用到风机叶片的制造中来，比如碳纤维增强复合材料
(CFRP)和玻璃纤维增强复合材料(GFRP)等。FRP
(Fiher Re-
inforeedPlastics)纤维增强复合塑料，依据使用的纤维材料不同可分为：硼纤维增强复合塑料，碳纤维增强复合塑料，玻璃纤维增强复合塑料等。纤维增强复合材料主要由基体和增强纤维两大部分构成。基体通常使用热塑性材料或热固性塑料，虽然这种材料的强度和模量都比较低，但由于其拥有良好的粘弹性和弹塑性，可经受住较大的应变。而使用填充的纤维材料（或晶须)的直径较小，一股可在10μm以下，缺陷相对较小且较少，具有较高的刚性但是呈脆性，易受到腐蚀、损伤及断裂，
3复合材科应用实例
怎样通过优化叶片结构来提高复合材料叶片强度的同时减少叶片的重量已经成为现在的研究热点。复合材料以其高强度和轻质量的特性，无疑正是风力发电机叶片的理想材料。
德国Nodex公司的碳/玻混杂风力机叶长56m，它是专为5MW 机组海上风电组面开发，该公司还研制了长43m重达9.6吨的碳/ 玻璃风机叶片，这种叶片是用于2.5MW的路上风电发电机组。En eroon公司开发的使用的用碳纤维增强材料的4.5MW风力发电机叶片。而LM公司也以GRP作为主要材料研制了长度达60m风机叶片。是否将纤维增强材料用于大型叶片的制造中国际上还存在着争议，现在一般在长度大、载荷高、额定功率大的风力机组中使用复合材料制造的叶片。
结束语
风力发电机是当前发电行业重点研究的项目，采用风能进行发电，不但经济节能，还具有较强的环保意义。风电叶片是风电机组的重要组成部分，为了增加风机的功率，设计人员增加了叶片的长度，这容易增加叶片碰撞塔架的概率，面且也容易增加叶片的重量。风电叶片在不断发展的过程中，设计人员对其结构以及构成材料进行了改革，采用碳纤维复合材料代替了玻璃纤维复合材料，这可以减轻传统叶片70-80%的重量，还可以节省传统叶片制造15-20%的成本，是提高叶片性能以及质量的有效措施。
参考文献
[1]衰建.碳纤维复合材料天线反射面研制[1]火控雷达技术， 2003,32 :4446
[2]陈亚君，吴国庆，倪红军，曹阳，茅靖峰，陈立新风力发电机组叶片材料综述[J]化工新型材料,2010(9)：37-38.
[3陈前，付世晓，部早建.海上风力发电机组支撑结构动力特性分析[J]振动与冲击，2012(2)：86-90.