碳纤维复合材料在风力发电机叶片中的应用研究

王凯泽

摘 要：随着社会不断发展，生产活动造成的环境污染问题日益突出，因此开发新能源成为了当今各个国家关心的问题。因此风能的开发显得十分重要，在风能开发环节，风叶的材料对风叶影响巨大，碳纤维的使用大大增加了风叶强度，优化其性能，也提高了风机对风能的利用率。本文就对碳纤维复合材料进行介绍，并对其在风力发电机中的应用进行分析。

关键词：炭纤维复合材料；风力发电；风电机叶片

引言：风力发电是现今重要的新能源形式，而风电叶片的性能直接影响到了对风能的利用率，随着社会对于电力资源的需求不断增加，风电叶片尺寸需要向着更大、更轻方向发展。因此研究碳纤维及应用着实重要。

一、碳纤维复合材料概述

碳纤维是含碳量高于90%的一种无机纤维材料，其力学性能十分优越，强度十分高，而且耐热、抗热冲击能力强、比重小，不仅仅有用碳材料本有的特点，又有很强的柔软性，可以制造成各种形状的材料，有很强的的应用前景。但是材料造价教高，这也是限制此材料发展的因素之一。

二、碳纤维在风力发电机叶片中的应用优势

1 提高叶片刚度、减轻叶片质量

碳纤维材料其密度比较小，与常用的玻璃纤维相比碳纤维密度是玻璃纤维的70%，然而强度是其140%，而其比模量十分大，是玻璃纤维的3倍多，在风电叶片中采取CFRP材料将会使叶片的总质量大幅度减小。

2 提高叶片抗疲劳性能

通常为了获取更好的风力资源，风机通常都是在远离城市的恶劣环境中工作，全天候运作且常要承受太阳暴晒、雨淋、霜冻、雷电等自然考验，风叶容易受到损伤。然而根据研究与实践结果表明，采取碳纤维材料或者将其与树脂材料混合用来制造风机叶片，可以明显提高风机抵抗恶劣环境的能力。

3 可以制造自适应叶片

利用碳纤维材料制造的叶片，可以对叶片的角度进行调整。现阶段主动性调节风机其设计风速约为14m/s，当风速较高时，可以调节风叶的偏斜角度，将部分风力抵消，保护风机。然而风叶斜度改变是建立在风速逐步改变的基础上，当遇到风速突然改变的狂风时，系统反应十分慢，不能及时保护风机。但是碳纤维材料制造的风叶，可以生产出弯曲、不对称的叶片，减少遇到狂风时给风机带来的负载，保护风机。

4 可以降低风力发电事业的成本

因为碳纤维优越的轻质高强特点，使得风叶在制造过程中应用的材料减少，而且叶片变得轻，减少了运输与安装施工的压力，使风力发电事业投入的生产成本大大降低。

5 使风机输出功率更平衡，提高风能利用效率

上文已经介绍了碳纤维材料密度小，比模量大，通过使用大大减小了叶片的质量，提高了叶片的刚度。也正是因为叶片质量的减小，使得叶片对轮毂与塔架的负载明显降低，实现了风机更均衡平滑的作业，能更加充分的利用好风能。同时根据碳纖维的特点可以设计出更薄、更长结构的叶片，增加对了风能利用率，使得可以获取更多的电能。

三、碳纤维在风力发电机叶片中的应用

根据相关研究结果可以知道当增加风叶长度时，其质量增加与风叶长度的三次方正正比，而提取的电能仅仅与风叶的二次方正正比，因此加长风叶，其质量比获取的电能增加的多，也正是这个原因限制了风能的有效利用。传统的材料在生产实际中显示出了诸多的问题，质量大，强度低，而且难以在恶劣环境中保持良好的工作性能，因此就需要才风叶制造环节加入碳纤维材料，不仅仅降低了风叶质量，而且大大提高了风叶的强度。然而碳纤维材料较为昂贵，风叶制造完全采取此材料会是成本大大增加，与我们风力发电的节能减排思想违背。因此主要是在风叶的主要部位采取碳纤维材料。很多部位都是碳纤维与玻璃纤维混合使用。

上图1为横梁；2为风叶的前后边缘；3是风叶的表面。此三部分都是风叶中关键部位，也是碳纤维主要使用的部位。

四、结束语

综上所述，可以知道碳纤维在风力发电机叶片中应用使叶片的性能大大增加，在如今国内外对新能源的迫切需求下，进一步研究提高风叶性能的材料仍是国内研究者需要继续努力的方向。

参考文献：

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