复合材料及碳纤维在风电叶片中的应用现状
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作者:熊皓 王学花 张纯琛 尹希荣
摘 要：随着经济社会的不断发展，能源逐渐短缺，风力发电技术不断地发展成熟完善，政府相关部门也给予了很大的重视。风电叶片的尺寸大小和质量对于风力发电影响也是非常大的，为了提高风力发电的影响力，把碳纤维复合材料引进电叶片的结构中，使得风电叶片的质量过大的问题得到解决。另外，本文简要的介绍了不同复合材料的特征和复合材料的发展简史，分析了碳纤维复合材料应用在风电叶片中的优点，和对风力发电的工作效率和质量的提高作用。
关键词：复合材料;碳纤维;风力机叶片;应用
随着时代的快速发展，世界范围内的经济发展水平都取得了重大突破，体现最为明显的为：人们生活质量取得了很大的提升，工业化发展速度迅猛，社会经济发展速率不断提升。这种快速发展在给人们带来众多便利的同时，也引发了些许问题，生态环境的严重破坏就是其中一个，现如今我国自然生态环境由于工业化的迅猛发展造成了非常严重的破坏，在此背景之下，要求人们不断探索各种新型能源。风力资源的发现和应用就在一定程度上减少了对生态环境的破坏程度，而且还是一种可再生资源，所以我们应该加大对其的研究和开发力度。随着风力资源的广泛应用，风机单机容量也在不断扩大，而风力机叶片在风机运转过程中发挥着至关重要的作用，如何不断优化风力机叶片性能，就需要我们采用更为轻质和性能更好的材料，提高风力机运行效率，是我们目前风力机叶片需要研究的一个重要课题。
1 复合材料的发展史
为了方便大家理解碳纤维复合材料，在本文中对复合材料的发展史进行简短的介绍。很早以前的远古时代，世界上就已经拥有，并在使用复合材料，这种材料就是自生长纤维增强复合材料，这种材料在植物中常见，最多见的就是竹子。但是因为当时条件有限，这种复合材料在使用方面不发生任何的化学改变，只是进行物理上的变化，同时也没有批量生产，所以没有在大范围内应用。远古时期的人们摆脱了山顶和岩洞的居住习惯，用稻草和泥土来建造房屋，这就是一种人工参与的复合材料。随着人类智慧的进步以及科学社会的发展，很多性能强的材料被应用于社会生产中。早在20世纪40年代，一种复合材料开启了复合材料历史上的新纪元，促进了复合材料的改革和发展，也是其中最具有代表性的材料，那就是玻璃纤维增强复合材料。根据相关研究，复合材料可以分为四个阶段，碳纤维复合材料则属于第二个阶段，这说明了碳纤维复合材料的研究时间很长。在1960年到1980年，这段时间是碳纤维复合材料发展的第一个鼎盛时期。
2 复合材料类型
复合材料按照不同的划分标准可以分为不同的类型，按照基体材料和复合材料的增强相形态和增强纤维划分是最为常见的一种分类方式。按照风力机叶片制造材料的不同要求可以将其划分为金属复合材料、聚合物复合材料、碳基复合材料以及陶瓷基复合材料几大类，这种分类方式也可以看作是按照基体材料类型进行划分的。每种复合材料的基体都存在一定的差异，所以由其所制成的复合材料不管是应用方面还是性能方面都存在很多差异。现如今各种复合材料都得在机械设备制造和生产领域得到了较为广泛的应用。其中碳纤维复合材料最为明显的应用特征就是密度适中、质量轻，所以受到了风电叶片制造行业的青睐。每种复合材料的独特性不仅仅体现在基体材料方面，在应用范围和特征方面也各有特色。
2.1 聚合物基复合材料
聚合物基复合材料主要是由聚合物基体和增强材料组成的，被广泛的应用于航空航天行业，它的耐疲劳性也是非常好的。聚合物基复合材料刚度非常强，在比强度和比模量方面也很高，所以经常被广泛的应用于汽车行业。另外，聚合物基复合材料有着很高的可塑性，所以在可設计方面具有很大的优势，被广泛的应用于武器装备设计过程中。
2.2 金属基复合材料
因为金属基复合材料有很强的导热性能，所以被广泛的应用于涡轮发动机的设计中。金属基复合材料与其他种类的材料相比较有着很强的耐磨性，通常也被应用到航空航天事业中。
2.3 陶瓷基复合材料
众所周知，陶瓷是我国优秀传统文化的载体，有着很强的耐热性和耐磨损性等特点。陶瓷基复合材料被广泛的应用于工业领域，比如火箭发动机的喷管。
2.4 碳复合材料
碳复合材料的优点也很多，比如，导电能力良好，质轻，强度较高，热传导能力也好，不论是在飞机制造行业还是船舶工业领域，都受到了广泛的应用。与金属制件相比，利用碳纤维复合材料制作的制件在重量上要轻20%到35%，可以增加飞行器的飞行里程。
3 碳纤维复合材料应用于叶片中的优势
3.1 减轻叶片重量
传统风电叶片发电的过程中，风电叶片质量过重的问题一直存在，把碳纤维复合材料应用到风电叶片的制造和设计过程中，就可以在一定程度上减小风电叶片对主机和塔筒结构造成的荷载。与此同时，碳纤维加入其中，还可以增加叶片的刚度，从而减小风电叶片碰到塔筒时发生故障的频率。
3.2 有效提升风能利用率
有关研究表明，一般拥有较强刚度的材料都能够在一定程度上提高资源的利用率。如果使用传统的材料来制作和设计风电叶片时，就不能很好的发挥风电叶片的作用，风能转化率自然就低，从而降低了风能利用率。碳纤维复合材料就有很高的模量和很强的刚度，把碳纤维复合材料用于风力机叶片中，就可以有效的提高风力发电的效率。换言之，在风力发电设备工作的过程中，通过提高风电叶片的材料性能就能够提高设备的工作效率。
3.3 碳纤维导电，在叶片除冰方面的优势
一般情况下，气温低于0摄氏度，在空气中有着潮湿的雨，霜，雾，雪等水汽团，形成冰晶落下，或遇到物体表面非常寒冷的情况时就会在物体表面结冰。影响风电叶片结冰的主要因素有气温，液态水含量，风速以及持续的时间等。用碳纤维材料来制作风电叶片蒙皮层，并将加热电缆安装在主轴上的滑环上。工作人员不仅可以利用碳纤维导电性能好的特征，消除叶片表面的冰，还可以提高设备的发电效率。 4 碳纤维复合材料在风电叶片中的应用
我国以往传统的风力机叶片基本上都是采用帆布、木材或者是金属相关材料，随着时代的进步和发展，市场上出现了越来越多种类的新型复合材料，也逐渐被应用到风机叶片制造过程中，常见的有玻璃纤维增强复合材料和碳纤维增强复合材料。这里所说的纤维增强复合材料是由增强纤维和基体两项内容所组成，基体一般情况下都是采用热固性塑料或者是热塑性材料，此类材料的模量和强度都不是很好，但是弹塑性和和粘弹性却非常好，应变能力比较强，纤维充填材料的直径通常情况下都控制在10μm以内，而且在实际使用过程中不太容易出现损伤、腐蚀和断裂现象。
风电叶片设计人员为了提高叶片的发电效率，需要加强叶片的长度，但是其质量也会增加。因为叶片长度的平方与风机叶轮捕获的风能和产生的电能成正比。但是叶片的质量增加要大于能量的提取。
在极端风力的作用下，也不能使叶尖触碰到塔架。所以在进行叶片制作的过程中，就需要采用刚度较强的材料，减轻叶片质量的同时，还要保证它的刚度和强度不会下降。既要减轻叶片的重量，又要满足其强度和刚度的要求，就是要采用碳纤维复合材料。
碳纤维复合材料作为一种新兴的复合材料，将这一材料运用到风电叶片的制作过程中，不仅可以满足风力发电装置的要求，还可以打破玻璃纤维复合材料的局限，保证在增加风电叶片长度的基础上，减少风电叶片的重量，还可以具有较强的刚性。在制作风电叶片的过程中，选用碳纤维材料进行制作更加的节约材料，重量较轻也便于运输，安装的成本也较低，使企业的经济效益得到提高。
据相关专家研究表示，现在没有任何一款材料可以非常适合的满足大功率风力发电的需要，玻璃纤维复合材料的性能已经发挥到极致，把性能较好的碳纤维复合材料运用在更大功率风力发电的装置中，可以有效地提高工作效率。实际上，当叶片超过一定的尺寸时，因为材料用量，劳动力，安装和运输的成本都在下降，所以碳纤维叶片就比玻纤维叶片便宜的多。
在风电叶片制作上，碳纤维复合材料的应用工艺主要有三种，分别是：预浸料织物成型工艺，碳梁片材拉挤成型工艺，碳纤维织物VARTM成型工艺，因为拉挤成型工艺质量稳定，成型效率高，以及产品的抗拉性能高等特点，所以具有标准化生产的优势。从目前来看，拉挤碳梁片材已经逐步取代了预浸料和碳纤维织物。2019年风电叶片行业用碳纤维量超过2万吨，其中80%就是用于生产拉挤碳梁片材。
需要關注的是，相关的专业人士提出，我国碳纤维复合材料在风力机叶片上的应用远远的落后于世界领头羊的进度，所以业内的相关技术研发人员需要不断的努力，加强碳纤维复合材料在风力机中的应用。
5 结语
总而言之，在风电叶片运行的过程中，传统的材料叶片会导致其发电效率不高，尤其是在环境较为恶劣的天气，它的发电质量非常差。碳纤维复合材料有着高强的耐热性和耐久性，以及较强的刚性，应用在风电叶片中，可以有效地提高风力发电设备的工作效率，与此同时，也提高了发电的质量。相关的工作人员要顺应社会的发展，将碳纤维复合材料应用在风力发电的过程中。
参考文献：
[1]孙瑞，李春，丁勤卫，陈文朴.大型风力机叶片模态性能及振动分析[J].热能动力工程，2018，33（10）：113-118+152.
[2]舒立春，谭进峰，胡琴，蒋兴良，邱刚.网格尺寸对碳纤维丝束风力发电机叶片融冰效果的影响研究[J].中国电机工程学报，2019，39（13）：4008-4015.
[3]具有碳纤维强化主横梁盖的风力涡轮机转子叶片部件的制造方法[J].高科技纤维与应用，2016，41（01）：80.
[4]孙鹏文，侯战华，岳彩宾.复合纤维风力机叶片铺层厚度与铺层顺序优化[J].内蒙古工业大学学报（自然科学版），2015，34（04）：288-292.
[5]岳彩宾.基于遗传算法的复合纤维风力机叶片结构铺层优化与应用[D].内蒙古工业大学，2015.
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