1.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展
風(fēng)電的價(jià)格和風(fēng)機(jī)功率成反比，風(fēng)機(jī)率越大，單位發(fā)電成互感器測(cè)試儀器本越低（表l）。隨著現(xiàn)代風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展與日趨成熟，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的技術(shù)沿著增大單機(jī)容量、減輕單位千瓦重量、提高轉(zhuǎn)換效率的方向發(fā)展。上世紀(jì)80年代早期到中期，典型的風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量?jī)H20～60kw；從80年代末期到90年代互感器測(cè)試儀器初期，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量從100kw增加到達(dá)500kw；到90年代中期，典型的風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量為750-1MW互感器測(cè)試儀器；到90年代末，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到2.5MW；目前已達(dá)3.5MW以上，世界平均單機(jī)容量為1Mw，最大單機(jī)容量為5Mw。預(yù)計(jì)2010年將開(kāi)發(fā)出10MW的風(fēng)電機(jī)組。


葉片是風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵部件之一，涉及氣動(dòng)、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、工藝等領(lǐng)域。葉片的長(zhǎng)度和風(fēng)機(jī)的功率成正比，風(fēng)機(jī)功率越大，葉片越長(zhǎng)。對(duì)于500kw-2.5MW的風(fēng)力機(jī)，葉片長(zhǎng)13.5－39米（丹麥LM Glasfiber公司制造）；660kw-1.65MW的風(fēng)力機(jī)，葉片長(zhǎng)23－39米（丹麥 Vestas Wind SystemsAS制造）。在兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組中，如1MW的葉片長(zhǎng)31米，每片重約4-5t；1.5MW 主力機(jī)型風(fēng)力機(jī)葉片長(zhǎng)34～37m， 每片重約6t；目前商業(yè)化風(fēng)力發(fā)電所用的電機(jī)容量一般為1.5—2.0MW，與之配套的復(fù)合材料葉片長(zhǎng)度大約32—40米，重6-8t；現(xiàn)代的54m大型葉片重13t?，F(xiàn)今世界上最大5MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片長(zhǎng)61.5米，單片葉片的重量接近18 t，旋轉(zhuǎn)直徑可達(dá)126.3米。 copyright 123456
葉片也是風(fēng)機(jī)中成本最高的部件，雖然它的重量不到風(fēng)機(jī)重量的15％。Peter Jamieson認(rèn)為風(fēng)葉成本約占風(fēng)電成本的10％。 風(fēng)葉類似于航空葉片，要求提高提升比（Lift－to－drag ratio），并且其提升特性不易受葉片表面污染和粗糙度影響。從結(jié)構(gòu)考慮要求葉片有較厚的葉型。葉片要經(jīng)受20年應(yīng)用，以受風(fēng)力造成的疲勞次數(shù)達(dá)10（也有以500萬(wàn)次作標(biāo)準(zhǔn)）。隨著風(fēng)機(jī)功率的增加，風(fēng)葉尺寸也相應(yīng)增加。表1所示為不同年份風(fēng)機(jī)功率、風(fēng)葉尺寸和風(fēng)電價(jià)格的變化趨勢(shì)。
2.碳纖維在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中的應(yīng)用
當(dāng)葉片長(zhǎng)度增加時(shí)，重量的增加要快于能量的提取，因?yàn)橹亓康脑黾雍惋L(fēng)葉長(zhǎng)度的立方成正比（圖1），而風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電能和風(fēng)葉長(zhǎng)度的平方成正比。同時(shí)隨著葉片長(zhǎng)度的增加，對(duì)增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和剛度等性能提出了新的要求，玻璃纖維在大型復(fù)合材料葉片制造中逐漸顯現(xiàn)出性能方面的不足。為了保證在極端風(fēng)載下葉尖不碰塔架，葉片必須具有足夠的剛度。減輕葉片的重量，又要滿足強(qiáng)度與剛度要求，有效的辦法是采用碳纖維增強(qiáng)。國(guó)外專家認(rèn)為，由于現(xiàn)有材料性不能很好滿足大功率風(fēng)力發(fā)電裝置的需求，玻璃纖維復(fù)合材料性能已經(jīng)趨于極限，因此，在發(fā)展更大功率風(fēng)力發(fā)電裝置和更長(zhǎng)轉(zhuǎn)于葉片時(shí)，采用懺能更好的碳纖維復(fù)合材料是勢(shì)在必行。根據(jù)國(guó)外有關(guān)資料報(bào)道，當(dāng)風(fēng)力機(jī)超過(guò)3MW、葉片長(zhǎng)度超過(guò)40米時(shí)，在葉片制造時(shí)采用碳纖維已成為必要的選擇。事實(shí)上，當(dāng)葉片超過(guò)一定尺寸后，碳纖維葉片反而比玻纖葉片便宜，因?yàn)椴牧嫌昧俊趧?dòng)力、運(yùn)輸和安裝成本等都下降了。

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國(guó)外碳纖維用于葉片制造的廠家主要有：
＊ 丹麥LMGlassfiber“未來(lái)”葉片家族中61.5米長(zhǎng)、5MW風(fēng)機(jī)的葉片在梁和端部都選用了碳纖維；
＊ 德國(guó)葉片制造商N(yùn)ordexRotor新制造的56米長(zhǎng)，5MW風(fēng)機(jī)葉片的整個(gè)梁結(jié)構(gòu)也采用了碳纖維，他們認(rèn)為葉片超過(guò)一定尺寸后，碳纖維葉片的制作成本并不互感器測(cè)試儀器比玻纖的高；

＊ Vestas Wind System 在他們制造的44米長(zhǎng)、V-90 3.0MW風(fēng)電機(jī)中的葉片的梁采用了碳纖維。2004年12月Zoltek CompaniesInc．宣布與Vestas wind Systems AS公司訂立長(zhǎng)互感器測(cè)試儀器期戰(zhàn)略合同，在前三年提供價(jià)值8千萬(wàn)到1億美元的碳纖維用于制造風(fēng)機(jī)葉片；Zoltek CompaniesInc在股東大會(huì)上宣布對(duì)NEG Micon的碳纖維合同將從每年150噸增加一倍。同時(shí)每年分別向Vestas和Ganesa各提供1000噸，所用牌號(hào)為Panex3348K；

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＊西班牙Gamesa在他們旋轉(zhuǎn)直徑為87米（G87）和90米（G90）2MW的風(fēng)機(jī)的葉片中采用了碳纖維／環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料，G90葉片長(zhǎng)44米，質(zhì)量約7t?；ジ衅鳒y(cè)試儀器
＊ NEG Micon在40米的葉片中采用了碳纖維增
＊ 德國(guó)Enercon GmbH在他們的大型葉片的制造中也使用了碳纖維。

華盛頓的Kirkland公司收到美國(guó)能源部（U.S.Department ofEnergy ）的75萬(wàn)美元，作為研發(fā)資金，和TPI Composites公司合作，發(fā)展碳纖維風(fēng)機(jī)葉片，以求得最大的能量獲得，同時(shí)減輕風(fēng)機(jī)的負(fù)載。方案通過(guò)對(duì)30-35m長(zhǎng)葉片的設(shè)計(jì)，制造和測(cè)試以證明先進(jìn)的碳纖維混編設(shè)計(jì)的商業(yè)可能性。碳纖維在風(fēng)葉中的應(yīng)用逐年在增加（圖2）




3.碳纖維在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中應(yīng)用的主要部位
由于碳纖維比玻纖昂貴，采用百分之百的碳纖維制造葉片從成本上來(lái)說(shuō)是不合算的。目前國(guó)外碳纖維主要是和玻纖混和使用，碳纖維只是用到一些關(guān)鍵的部分。碳纖維在葉片中互感器測(cè)試儀器應(yīng)用的主要部位有（圖3和圖4）：

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＊ 橫梁（Spar），尤其是橫梁蓋（Spar Caps）。
＊ 前后邊緣，除了提高剛度和降低質(zhì)量外，還起到避免雷擊對(duì)葉片造成的損傷（專利US6457943BI），如圖3中涂黑的部分采用碳纖維。（專利 EP1485611）互感器測(cè)試儀器
＊ 葉片的表面，采用具有高強(qiáng)度特性的碳纖維片材（日本專利JP2003214322）。



4.碳纖維在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)
碳纖維的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：
（1）提高葉片剛度，減輕葉片重量

碳纖維的密度比玻璃纖維小約30％，強(qiáng)度大40％，尤其是模量高3至8倍。大型葉片采用碳纖維增強(qiáng)可充分發(fā)揮其高彈輕質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。荷蘭戴爾弗理工大學(xué)研究表明，一個(gè)旋轉(zhuǎn)直徑互感器測(cè)試儀器為120米的風(fēng)機(jī)的葉片，由于梁的質(zhì)量超過(guò)葉片總質(zhì)量的一半，梁結(jié)構(gòu)采用碳纖維，和采用全玻纖的相比，重量可減輕40％左右；碳纖維復(fù)合材料葉片剛度是玻璃纖維復(fù)合材料葉片的兩倍。據(jù)分析，采用碳／?；祀s增強(qiáng)方案，葉片可減重20～30％VestaWind System公司的V90 3 Mw發(fā)電機(jī)的葉片長(zhǎng)44m，采用碳纖維代替玻璃纖維的構(gòu)件，葉片質(zhì)量與該公司V80 2M互感器測(cè)試儀器W發(fā)電機(jī)且為39米長(zhǎng)的葉片質(zhì)量相同。同樣是34m長(zhǎng)的葉片，采用玻璃纖維增強(qiáng)聚脂樹(shù)脂時(shí)質(zhì)量5800kg，采用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂時(shí)質(zhì)量5200kg，而采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)互感器測(cè)試儀器氧樹(shù)脂時(shí)質(zhì)量只有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纖維所制得的風(fēng)機(jī)葉片質(zhì)量比玻璃纖維的輕約32％，而且成本下降約16％。表2所示為玻纖和碳纖及復(fù)合材料性能比較。圖5為完全互感器測(cè)試儀器碳纖維葉片和目前歐洲商業(yè)化的葉片重量比較。 123456



（2）提高葉片抗疲勞性能
風(fēng)機(jī)總是處在條件惡劣的環(huán)境中，并且24小時(shí)的處于工作狀態(tài)。這就使材料易于受到損害。相關(guān)研究表明，碳纖維合成材料具有出眾的抗疲勞特性，當(dāng)與樹(shù)脂材料混合時(shí)，則成為了風(fēng)力機(jī)互感器測(cè)試儀器適應(yīng)惡劣氣候條件的最佳材料之一。
（3）使風(fēng)機(jī)的輸出功率更互感器測(cè)試儀器平滑更均衡，提高風(fēng)能利用效率
使用碳纖維后，葉片重量的降低和剛度的增加改善了葉片的空氣動(dòng)力學(xué)性能，減少對(duì)塔和輪軸的負(fù)載，從而使風(fēng)機(jī)的輸出功率更平滑和更均衡，提高能量效率。同時(shí)，碳纖互感器測(cè)試儀器維葉片更薄，外形設(shè)計(jì)更有效，葉片更細(xì)長(zhǎng)，也提高了能量的輸出效率。
（4）可制造低風(fēng)速葉片

碳纖維的應(yīng)用可以減少負(fù)載和增加葉片長(zhǎng)度，從而制造適合于低風(fēng)速地區(qū)的大直徑風(fēng)葉，使風(fēng)能成本下降。

本文來(lái)自123

（5）可制造自適應(yīng)葉片
葉片裝在發(fā)電機(jī)的輪輪上，葉片的角度可調(diào)。目前主動(dòng)型調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)（activeutility－size wind turhines）的設(shè)計(jì)風(fēng)速為13 to 15m／sec（29 to33mph），當(dāng)風(fēng)速超過(guò)時(shí)，則調(diào)節(jié)風(fēng)葉斜互感器測(cè)試儀器度來(lái)分散超過(guò)的風(fēng)力，防止對(duì)風(fēng)機(jī)的損害。斜度控制系統(tǒng)對(duì)逐步改變的風(fēng)速是有效的。但對(duì)狂風(fēng)的反應(yīng)太慢了，自適應(yīng)的各向異性葉片可幫助斜度控用系統(tǒng)（thepitch control system），在突然的、瞬間的和局部的風(fēng)速改互感器測(cè)試儀器變時(shí)保持電流的穩(wěn)定。自適應(yīng)葉片充分利用了纖維增強(qiáng)材料的特性，能產(chǎn)生非對(duì)稱性和各向異性的材料，采用彎曲／扭曲葉片設(shè)計(jì)，使葉片在強(qiáng)風(fēng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)可減互感器測(cè)試儀器少瞬時(shí)負(fù)載。美國(guó)Sandia NationalLaboratories致力于自適應(yīng)葉片（“adzptive”blade）研究，使1.5W風(fēng)能從每kwh5美分降到4.9分，價(jià)格可和燃料發(fā)電相比。

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（6） 利用導(dǎo)電性能避免雷達(dá)擊
利用碳纖維的導(dǎo)電性能，通過(guò)特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可有效地避免雷擊對(duì)葉片造成的損傷。
（7） 降低風(fēng)力機(jī)葉片的制造和運(yùn)輸成本
由于減少了材料的應(yīng)用，所以纖維和樹(shù)脂的應(yīng)用都減少了，葉片變得輕巧，制造和運(yùn)輸成本都會(huì)下降?？煽s小工廠的規(guī)模和運(yùn)輸設(shè)備?；ジ衅鳒y(cè)試儀器
（8）具有振動(dòng)阻尼特性。碳纖維的振動(dòng)阻尼特性可避免葉片自然頻率與塔暫短頻率間發(fā)生任何共振的可能性。
5.碳纖維應(yīng)用的主要問(wèn)題和解決途徑
碳纖維應(yīng)用的缺陷：
（1）碳纖維是一種昂貴纖維材料，在碳纖維應(yīng)互感器測(cè)試儀器用過(guò)程中，價(jià)格是主要障礙，另外，性價(jià)比影響了它在風(fēng)力發(fā)電上的大范圍應(yīng)用。必須當(dāng)葉
片超過(guò)一定尺寸后，因?yàn)椴牧嫌昧肯陆?，才能比玻纖葉片便宜。目前采用碳纖維和玻璃纖維共混結(jié)構(gòu)是一種比較好的辦法，而且還綜合了兩種材料的性能。另外一種方法是采用從瀝青制造互感器測(cè)試儀器的成本較低的碳纖維，這種碳纖維的價(jià)格可以降到5美元/lb 的心理價(jià)位。
（2）CFRP比GFRP更具脆性，一般被認(rèn)為更互感器測(cè)試儀器趨于疲勞，但是研究表明，只要注意生產(chǎn)質(zhì)量的控制以及材料和結(jié)構(gòu)的幾何條件，就可足以保證長(zhǎng)期的耐疲勞。

（3）直徑較小的碳纖維表面積較大，復(fù)合材料成型加工浸潤(rùn)比較困難。由于碳纖維叫、片一般采川環(huán)氧樹(shù)脂制造，要通過(guò)降低環(huán)氧樹(shù)脂制造的熟度而不降低它的力學(xué)性能是比較互感器測(cè)試儀器困難的，這也是一些廠家采用預(yù)浸料工藝的原因。此外碳纖維復(fù)合材料的性能受工藝眼影響敏感（如鋪層方向互感器測(cè)試儀器），對(duì)工藝要求較高。
（4）碳纖維復(fù)合材料透明性差，難以進(jìn)行內(nèi)部檢查。
但碳纖維在大型葉片中的應(yīng)用已成為一種不可改變的趨勢(shì)。目前，全球各大葉片制造商正在從原材料、工藝技術(shù)、質(zhì)量控制等各方面進(jìn)行深入研究，以求降低成本，使碳纖維能互感器測(cè)試儀器在風(fēng)力發(fā)電上得到更多的應(yīng)用。可通過(guò)如下的途徑來(lái)促進(jìn)碳纖維在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用： copyright 123456
（1）葉片尺寸越大，相對(duì)成本越低。因此對(duì)于3MW（40m）以上，尤其是5MW以上的產(chǎn)品。目前大規(guī)模安裝的2.5-3.5MW機(jī)組采用了輕質(zhì)、高性能的玻璃纖維葉片，設(shè)計(jì)可互感器測(cè)試儀器靠，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)，下一代5-10MW風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)將更多的采用碳纖維。
（2）采用特殊的織物混編技術(shù)。根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)要求，把碳纖維鋪設(shè)在剛度和強(qiáng)度要求最高的方向，達(dá)到結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。如TPI公司采用碳纖維織物為800g 三軸 向織物（triaxial fabric），由一層500g0°T－600碳纖維夾在兩層150g成土45°的玻纖織物內(nèi)。對(duì)于原型葉片中，碳纖維成20°，玻纖層的三軸向織物為土65°and-25°，這種方向的鋪層可充分地控制剪切負(fù)載。旋轉(zhuǎn)織物意味著織物邊沿和葉片方向成20°角，逐步地引入旋轉(zhuǎn)耦合互感器測(cè)試儀器部件（the twist-coupling component）。
（3）采用大絲來(lái)碳纖維。碳纖好牛產(chǎn)成本高，特別是高性能的碳纖維生產(chǎn)成本生高，而葉片生產(chǎn)中，采用大絲束碳纖維可達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的。如一種新型丙烯酸碳纖維（美國(guó)專利 US6103211申請(qǐng)人：TORAY INDUSTRIES（JP））該發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)度的碳纖維，所述的碳纖維主要包括大互感器測(cè)試儀器量的滿足下列關(guān)系式的細(xì)纖維：sigma＞／＝11.l－0.75d，其中的sigma指碳纖維抗張強(qiáng)度，d指細(xì)纖維的平均直徑。這種碳纖維適用于風(fēng)力機(jī)葉片材料等與能源相關(guān)的設(shè)備，或者作為道路、大橋的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)層。 互感器測(cè)試儀器
（4）采用新型成型加工技術(shù)，如VARTM和Light－RTM技術(shù)。
在目前的生產(chǎn)中，須浸料和真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑工藝已成為兩種最常用替代濕法鋪層技術(shù)；對(duì)于40m以上葉片，大多數(shù)制造商采用VARTM 技術(shù)。但VESTAS和GAMESA仍使用預(yù)浸料工藝。技術(shù)關(guān)鍵是控制樹(shù)脂粘度、流動(dòng)性、注入孔設(shè)計(jì)和減少材料孔隙率。
在大型葉片制造中，由于碳纖維的使用互感器測(cè)試儀器，聚酯樹(shù)脂已被環(huán)氧樹(shù)脂來(lái)替代；利用大然纖維-熱塑性樹(shù)脂制造的“綠色葉片”近年來(lái)也倍受
重視，如愛(ài)爾蘭的Gnth公司已負(fù)責(zé)制造12.6米互感器測(cè)試儀器長(zhǎng)的熱塑性復(fù)合材料葉片，Mitsubishi（三菱）公司將負(fù)責(zé)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上進(jìn)行“綠色葉片的試
驗(yàn)”。如果試驗(yàn)成功后，他們將繼續(xù)研究開(kāi)發(fā)30米以上的熱塑性復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)葉片。
為了降低模具成本，減輕模具重量，大型復(fù)合互感器測(cè)試儀器材料葉片的制造模具也逐漸由金屬模具向著復(fù)合材料模具轉(zhuǎn)變，這也意味著復(fù)合材料葉片可以做得更長(zhǎng)。另外，由于模具與葉片采用了相同的材料，模具材料的熱膨脹系數(shù)與葉片材料基本相同，制造出的復(fù)合材料葉片的精度和尺寸穩(wěn)定性均優(yōu)于金屬模具制造的葉片產(chǎn)品。