碳纤维复合材料在风力发电机叶片制造中的应用

李杨 黄海超 邹秀娟 李晓林 王壮志 王宝铭

摘要：风力发电是当前电能生产的重要形式，科学合理的进行风力发电机叶片设计和制造，能有效地提升风力发电效率，降低发电成本。本文阐述碳纤维复合材料在风力发电机叶片制造中的应用优势，并在当前碳纤维复合材料应用问题分析的同时，指出利用碳纤维复合材料制造风力发电机叶片的具体策略。期望能提升碳纤维复合材料的应用水平，继而在保证风力发电机叶片工作性能的同时，推动工业电能生产及社会经济的进一步发展。

关键词：碳纤维复合材料；风力发电机；叶片制造

电能是一种清洁化的工业生产原料，其为多个领域的生产建设提供了动力支撑。新经济形态下，人们对于电能的需求总量不断增加，这使得电能生产成为人们关注的热点问题。风力发电是当前电能生产的重要形式，风力發电机叶片直接影响着电能生产的效率和质量，现阶段，碳纤维复合材料在风力发电机叶片制造中得以广泛应用，其在优化风电生产模式的同时，为解决电能短缺问题创造了可能，本文就碳纤维复合材料在风力发电机叶片制造中的应用要点展开分析。

一、碳纤维材料的应用优势

碳纤维材料是一种性能优异的新材料，其在热处理转化工艺的支撑下，使得无机高性能纤维材料中的含碳量高达90%，具有如软可加工、力学性能突出的特征。现阶段，碳纤维材料在风力发电机叶片制造中得到了广泛应用，从应用过程来看，其具有以下优势：

1、提升叶片自身性能

传统风力发电机叶片制造中，玻璃纤维是其基本的制作材料，该材料刚度一般，且质量较大。而碳纤维材料的碳含量较高，其能有效提升风力发电机叶片的刚度，同时基于自身纤维材料的特性，其质量较轻，充分满足了当前发电机叶片高弹轻质的要求[1] 。此外，在风力发电过程中，叶片处于高负荷运作状态，这使得叶片的磨损较大，尤其在恶劣环境下，其运转效率会持续下降。而碳纤维材料抗磨能力加强，其能在提升叶片抗疲劳性的同时，提升整机性能。

2、降低风力发电成本

实现发电成本和效率的统筹是当前风力发电的内在要求。在碳纤维材料使用过程中，叶片材料质量轻、强度大的优势使得塔和轮轴的负荷进一步降低，其使得发电能耗不断降低，有效的提升了风力发电机的能量输出和使用效率。同时，碳纤维材料具有一定导电性，通过结构接地设置，可以有效的防止了雷击对叶片的损害，建设设备损坏成本。此外，当风力发电机叶片处于一定范围时，其总体效益高于一般材料，同时受叶片质量较轻等因素的影响，采用碳纤维材料制造风力发电机叶片可以节省运费和人工 成本，实现了风力发电效率与经济的全面统筹。

二、碳纤维复合材料在风力发电机叶片制造中的应用问题

研究表明，风力发电的价格成本和发电机功率呈反比例关系，即随着风力发电机功率的提升，风电企业单位发电成本就会越低。实践中，叶片是影响风力发电机功率的重要因素，为提升风力发电机叶片应用效率，碳纤维复合材料已成为风力发电机叶片制造的重要材料。然而从目前应用过程来看，我国风力发电机叶片制造过程中的碳纤维复合材料应用尚在较大缺陷，具体表现如下：

1、碳纤维复合材料价格昂贵

价格因素是制约碳纤维复合材料应用的主要因素之一。从应用过程来看，碳纤维复合材料价虽然具有良好的应用性能，然而其技术研究和规模化生产过程存在脱节状况，这使得市场上的碳纤维复合材料难以满足实际应用需要，由此使得材料的价格明显较高。在风力发电项目建设中，部分投资商基于成本压力和短期效益考虑，放弃了使用碳纤维复合材料，这对风力发电机叶片的制造形成阻碍。

2、传统材料的惯性思维

碳纤维复合材料的应用还受到人们惯性思维的影响。风力发电机叶片生产中，玻璃纤维材料虽然脆性更高，且容易产生磨损疲劳，然而随着长时间的应用，人们已经逐渐熟悉了其在风力发电机叶片制造中的要点，即通过生产工艺的优化，玻璃纤维材料的使用寿命还是能够得到保障的。故而在当前生产中，很对投资者会习惯性的选择玻璃纤维材料制造风力发电机叶片，这影响了碳纤维复合材料市场的形成与成熟。

三、碳纤维复合材料在风力发电机叶片制造中的应用要点

新时期，人们对于风电的需求总量不断增加，实现风力发电机叶片制造过程优化势在必行。采用碳纤维复合材料制造风力发电机叶片时，其设计和实际应用过程需注重以下要点。

1、碳纤维复合材料应用设计

将碳纤维复合材料应于与风力发电机叶片的关键部位是解决发电成本问题的有效手段。具体而言，碳纤维复合材料在风力发电机叶片关键部位的设计包括：其一，优化碳纤维复合材料在主梁帽上的应用。现阶段，主梁帽是碳纤维复合材料应用主多的部位，同时其也是风力发电设备的主要结构单元[2] 。从应用效果来看，利用碳纤维复合材料进行主梁帽结构设计，能够有效的减轻设备主体质量，实现风力发电机的轻量化发展。研究表明，当风力发电机叶片规格为50m时，采用碳纤维复合材料制造的叶片，其质量比玻璃纤维材料质量轻16%。其二，在蒙皮表面设计中，可在碳纤维复合材料的支撑下，可对风电叶片的表面进行蒙皮优化，这不仅能降低外界环境对叶片的侵蚀，而且能有效的提升叶片的抗压、抗拉能力，确保设备运行的稳定性。其三，碳纤维复合材料还可以应用在叶片根本部位，该设计能够降低叶片旋转对根部螺栓的压力，避免根部螺栓发生断裂。其四，与玻璃纤维材料相比，碳纤维复合材料还可以有效的降低雷击对风力发电设备的影响，提升设备应用的安全性。

2、碳纤维复合材料应用策略

目前，碳纤维复合材料的整体较高较为昂贵，要采用碳纤维复合材料制造风力发电机叶片，就必须实现风力发电成本要素的全面统筹，进而实现发电成本与效益的协调。该环节中应注重以下策略把控：其一，国家政府部门应发挥自身宏观调控功能，对碳纤维复合材料生产行业的发展加以引导，实现该材料的规模化生产，降低其价格。其二，应通过政府补贴的形式，对采用碳纤维复合材料制造风力发电机叶片的企业进行补贴，增强企业应用碳纤维复合材料叶片的动力。其三，还应进一步深化碳纤维复合材料技术研究，通过技术创新实现其在叶片制造中的成本控制。

结论

碳纤维复合材料能够有效的提升风力发电机叶片的应用性能。实践过程中，人们只有充分认识到碳纤维复合材料的应用优势，并在其应用问题分析的同时，加大其在风力发电机叶片制造中的技术创新和应用，才能有效的提升碳纤维复合材料的应用质量，进而在保证风力发电机发电效率的同时，实现社会经济的可持续发展。

参考文献：

[1] 杨海如，马祥禹，喻国铭，等.碳纤维复合材料风力发电机叶片振动特性研究[J].玻璃钢/复合材料，2018，296（09）：71-75.

[2] 黄辉秀，于永峰，刘焕旭，等.拉挤复合材料板材在风电叶片上的应用研究[J].风能，2018（7）：86-88.

（作者单位：威海拓展纤维有限公司）