風(fēng)電葉片復(fù)合材料及碳纖維應(yīng)用現(xiàn)狀

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摘要:隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，能源逐漸短缺，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)不斷地發(fā)展成熟完善，政府相關(guān)部門也給予了很大的重視。風(fēng)電葉片的尺寸大小和質(zhì)量對于風(fēng)力發(fā)電影響也是非常大的，為了提高風(fēng)力發(fā)電的影響力，把碳纖維復(fù)合材料引進電葉片的結(jié)構(gòu)中，使得風(fēng)電葉片的質(zhì)量過大的問題得到解決。另外，本文簡要的介紹了不同復(fù)合材料的特征和復(fù)合材料的發(fā)展簡史，分析了碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在風(fēng)電葉片中的優(yōu)點，和對風(fēng)力發(fā)電的工作效率和質(zhì)量的提高作用。

關(guān)鍵詞:復(fù)合材料;碳纖維;風(fēng)力機葉片;應(yīng)用

隨著時代的快速發(fā)展，世界范圍內(nèi)的經(jīng)濟發(fā)展水平都取得了重大突破，體現(xiàn)最為明顯的為:人們生活質(zhì)量取得了很大的提升，工業(yè)化發(fā)展速度迅猛，社會經(jīng)濟發(fā)展速率不斷提升。這種快速發(fā)展在給人們帶來眾多便利的同時，也引發(fā)了些許問題，生態(tài)環(huán)境的嚴重破壞就是其中一個，現(xiàn)如今我國自然生態(tài)環(huán)境由于工業(yè)化的迅猛發(fā)展造成了非常嚴重的破壞，在此背景之下，要求人們不斷探索各種新型能源。風(fēng)力資源的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用就在一定程度上減少了對生態(tài)環(huán)境的破壞程度，而且還是一種可再生資源，所以我們應(yīng)該加大對其的研究和開發(fā)力度。隨著風(fēng)力資源的廣泛應(yīng)用，風(fēng)機單機容量也在不斷擴大，而風(fēng)力機葉片在風(fēng)機運轉(zhuǎn)過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，如何不斷優(yōu)化風(fēng)力機葉片性能，就需要我們采用更為輕質(zhì)和性能更好的材料，提高風(fēng)力機運行效率，是我們目前風(fēng)力機葉片需要研究的一個重要課題。

1復(fù)合材料的發(fā)展史

為了方便大家理解碳纖維復(fù)合材料，在本文中對復(fù)合材料的發(fā)展史進行簡短的介紹。很早以前的遠古時代，世界上就已經(jīng)擁有，并在使用復(fù)合材料，這種材料就是自生長纖維增強復(fù)合材料，這種材料在植物中常見，最多見的就是竹子。但是因為當(dāng)時條件有限，這種復(fù)合材料在使用方面不發(fā)生任何的化學(xué)改變，只是進行物理上的變化，同時也沒有批量生產(chǎn)，所以沒有在大范圍內(nèi)應(yīng)用。遠古時期的人們擺脫了山頂和巖洞的居住習(xí)慣，用稻草和泥土來建造房屋，這就是一種人工參與的復(fù)合材料。隨著人類智慧的進步以及科學(xué)社會的發(fā)展，很多性能強的材料被應(yīng)用于社會生產(chǎn)中。早在20世紀40年代，一種復(fù)合材料開啟了復(fù)合材料歷史上的新紀元，促進了復(fù)合材料的改革和發(fā)展，也是其中最具有代表性的材料，那就是玻璃纖維增強復(fù)合材料。根據(jù)相關(guān)研究，復(fù)合材料可以分為四個階段，碳纖維復(fù)合材料則屬于第二個階段，這說明了碳纖維復(fù)合材料的研究時間很長。在1960年到1980年，這段時間是碳纖維復(fù)合材料發(fā)展的第一個鼎盛時期。

2復(fù)合材料類型

復(fù)合材料按照不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)可以分為不同的類型，按照基體材料和復(fù)合材料的增強相形態(tài)和增強纖維劃分是最為常見的一種分類方式。按照風(fēng)力機葉片制造材料的不同要求可以將其劃分為金屬復(fù)合材料、聚合物復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料以及陶瓷基復(fù)合材料幾大類，這種分類方式也可以看作是按照基體材料類型進行劃分的。每種復(fù)合材料的基體都存在一定的差異，所以由其所制成的復(fù)合材料不管是應(yīng)用方面還是性能方面都存在很多差異。現(xiàn)如今各種復(fù)合材料都得在機械設(shè)備制造和生產(chǎn)領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用。其中碳纖維復(fù)合材料最為明顯的應(yīng)用特征就是密度適中、質(zhì)量輕，所以受到了風(fēng)電葉片制造行業(yè)的青睞。每種復(fù)合材料的獨特性不僅僅體現(xiàn)在基體材料方面，在應(yīng)用范圍和特征方面也各有特色。

2．1聚合物基復(fù)合材料

聚合物基復(fù)合材料主要是由聚合物基體和增強材料組成的，被廣泛的應(yīng)用于航空航天行業(yè)，它的耐疲勞性也是非常好的。聚合物基復(fù)合材料剛度非常強，在比強度和比模量方面也很高，所以經(jīng)常被廣泛的應(yīng)用于汽車行業(yè)。另外，聚合物基復(fù)合材料有著很高的可塑性，所以在可設(shè)計方面具有很大的優(yōu)勢，被廣泛的應(yīng)用于武器裝備設(shè)計過程中。

2．2金屬基復(fù)合材料

因為金屬基復(fù)合材料有很強的導(dǎo)熱性能，所以被廣泛的應(yīng)用于渦輪發(fā)動機的設(shè)計中。金屬基復(fù)合材料與其他種類的材料相比較有著很強的耐磨性，通常也被應(yīng)用到航空航天事業(yè)中。

2．3陶瓷基復(fù)合材料

眾所周知，陶瓷是我國優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的載體，有著很強的耐熱性和耐磨損性等特點。陶瓷基復(fù)合材料被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，比如火箭發(fā)動機的噴管。

2．4碳復(fù)合材料

碳復(fù)合材料的優(yōu)點也很多，比如，導(dǎo)電能力良好，質(zhì)輕，強度較高，熱傳導(dǎo)能力也好，不論是在飛機制造行業(yè)還是船舶工業(yè)領(lǐng)域，都受到了廣泛的應(yīng)用。與金屬制件相比，利用碳纖維復(fù)合材料制作的制件在重量上要輕20%到35%，可以增加飛行器的飛行里程。

3碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于葉片中的優(yōu)勢

3．1減輕葉片重量

傳統(tǒng)風(fēng)電葉片發(fā)電的過程中，風(fēng)電葉片質(zhì)量過重的問題一直存在，把碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用到風(fēng)電葉片的制造和設(shè)計過程中，就可以在一定程度上減小風(fēng)電葉片對主機和塔筒結(jié)構(gòu)造成的荷載。與此同時，碳纖維加入其中，還可以增加葉片的剛度，從而減小風(fēng)電葉片碰到塔筒時發(fā)生故障的頻率。

3．2有效提升風(fēng)能利用率

有關(guān)研究表明，一般擁有較強剛度的材料都能夠在一定程度上提高資源的利用率。如果使用傳統(tǒng)的材料來制作和設(shè)計風(fēng)電葉片時，就不能很好的發(fā)揮風(fēng)電葉片的作用，風(fēng)能轉(zhuǎn)化率自然就低，從而降低了風(fēng)能利用率。碳纖維復(fù)合材料就有很高的模量和很強的剛度，把碳纖維復(fù)合材料用于風(fēng)力機葉片中，就可以有效的提高風(fēng)力發(fā)電的效率。換言之，在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備工作的過程中，通過提高風(fēng)電葉片的材料性能就能夠提高設(shè)備的工作效率。

3．3碳纖維導(dǎo)電，在葉片除冰方面的優(yōu)勢

一般情況下，氣溫低于0攝氏度，在空氣中有著潮濕的雨，霜，霧，雪等水汽團，形成冰晶落下，或遇到物體表面非常寒冷的情況時就會在物體表面結(jié)冰。影響風(fēng)電葉片結(jié)冰的主要因素有氣溫，液態(tài)水含量，風(fēng)速以及持續(xù)的時間等。用碳纖維材料來制作風(fēng)電葉片蒙皮層，并將加熱電纜安裝在主軸上的滑環(huán)上。工作人員不僅可以利用碳纖維導(dǎo)電性能好的特征，消除葉片表面的冰，還可以提高設(shè)備的發(fā)電效率。

4碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用

我國以往傳統(tǒng)的風(fēng)力機葉片基本上都是采用帆布、木材或者是金屬相關(guān)材料，隨著時代的進步和發(fā)展，市場上出現(xiàn)了越來越多種類的新型復(fù)合材料，也逐漸被應(yīng)用到風(fēng)機葉片制造過程中，常見的有玻璃纖維增強復(fù)合材料和碳纖維增強復(fù)合材料。這里所說的纖維增強復(fù)合材料是由增強纖維和基體兩項內(nèi)容所組成，基體一般情況下都是采用熱固性塑料或者是熱塑性材料，此類材料的模量和強度都不是很好，但是彈塑性和和粘彈性卻非常好，應(yīng)變能力比較強，纖維充填材料的直徑通常情況下都控制在10μm以內(nèi)，而且在實際使用過程中不太容易出現(xiàn)損傷、腐蝕和斷裂現(xiàn)象。風(fēng)電葉片設(shè)計人員為了提高葉片的發(fā)電效率，需要加強葉片的長度，但是其質(zhì)量也會增加。因為葉片長度的平方與風(fēng)機葉輪捕獲的風(fēng)能和產(chǎn)生的電能成正比。但是葉片的質(zhì)量增加要大于能量的提取。在極端風(fēng)力的作用下，也不能使葉尖觸碰到塔架。所以在進行葉片制作的過程中，就需要采用剛度較強的材料，減輕葉片質(zhì)量的同時，還要保證它的剛度和強度不會下降。既要減輕葉片的重量，又要滿足其強度和剛度的要求，就是要采用碳纖維復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料作為一種新興的復(fù)合材料，將這一材料運用到風(fēng)電葉片的制作過程中，不僅可以滿足風(fēng)力發(fā)電裝置的要求，還可以打破玻璃纖維復(fù)合材料的局限，保證在增加風(fēng)電葉片長度的基礎(chǔ)上，減少風(fēng)電葉片的重量，還可以具有較強的剛性。在制作風(fēng)電葉片的過程中，選用碳纖維材料進行制作更加的節(jié)約材料，重量較輕也便于運輸，安裝的成本也較低，使企業(yè)的經(jīng)濟效益得到提高。據(jù)相關(guān)專家研究表示，現(xiàn)在沒有任何一款材料可以非常適合的滿足大功率風(fēng)力發(fā)電的需要，玻璃纖維復(fù)合材料的性能已經(jīng)發(fā)揮到極致，把性能較好的碳纖維復(fù)合材料運用在更大功率風(fēng)力發(fā)電的裝置中，可以有效地提高工作效率。實際上，當(dāng)葉片超過一定的尺寸時，因為材料用量，勞動力，安裝和運輸?shù)某杀径荚谙陆?，所以碳纖維葉片就比玻纖維葉片便宜的多。在風(fēng)電葉片制作上，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用工藝主要有三種，分別是:預(yù)浸料織物成型工藝，碳梁片材拉擠成型工藝，碳纖維織物VARTM成型工藝，因為拉擠成型工藝質(zhì)量穩(wěn)定，成型效率高，以及產(chǎn)品的抗拉性能高等特點，所以具有標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的優(yōu)勢。從目前來看，拉擠碳梁片材已經(jīng)逐步取代了預(yù)浸料和碳纖維織物。2019年風(fēng)電葉片行業(yè)用碳纖維量超過2萬噸，其中80%就是用于生產(chǎn)拉擠碳梁片材。需要關(guān)注的是，相關(guān)的專業(yè)人士提出，我國碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)力機葉片上的應(yīng)用遠遠的落后于世界領(lǐng)頭羊的進度，所以業(yè)內(nèi)的相關(guān)技術(shù)研發(fā)人員需要不斷的努力，加強碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)力機中的應(yīng)用。

5結(jié)語

總而言之，在風(fēng)電葉片運行的過程中，傳統(tǒng)的材料葉片會導(dǎo)致其發(fā)電效率不高，尤其是在環(huán)境較為惡劣的天氣，它的發(fā)電質(zhì)量非常差。碳纖維復(fù)合材料有著高強的耐熱性和耐久性，以及較強的剛性，應(yīng)用在風(fēng)電葉片中，可以有效地提高風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的工作效率，與此同時，也提高了發(fā)電的質(zhì)量。相關(guān)的工作人員要順應(yīng)社會的發(fā)展，將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電的過程中。

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作者：熊皓 王學(xué)花 張純琛 尹希榮 單位：天津中車風(fēng)電葉片工程有限公司