碳纤维在风力机叶片中的应用与前景

鉴于目前碳纤维昂贵的成本，在风力机叶片的所有部位上使用碳纤维从成本上来说不合算。现阶段，碳纤维主要是和玻纤混和使用，碳纤维只是在主梁、前后缘，和蒙皮等一些关键的部分使用。碳纤维的使用形式上主要以单向碳纤维预浸料和碳纤维多轴向织物为主，工艺上则主要采用真空辅助成型工艺(VARTM)或树脂膜渗透(RFI)工艺。近年来，全球各大叶片制造商为了使碳纤维能在风力发电上得到更多的应用，从原材料、工艺技术、质量控制等各方面进行了深入研究，以求降低成本。
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目前，把碳纤维用于风力机叶片制造的厂家及其产品包括：丹麦LM Glassfiber“未来”叶片家族中61.5米长、5MW风机的叶片在梁和端部都选用了碳纤维，并且利用碳纤维的导电特性进行了风力机叶片防雷系统的设计;德国叶片制造商Nordex Rotor制造的56米长、5MW风机叶片的整个主梁结构也采用了碳纤维，他们认为叶片超过一定尺寸后，碳纤维叶片的制作成本并不比玻纤的高;Nordex还在N117/2400和N117/3000两类风机上使用了采用碳纤维复合材料梁帽制造的叶片;德国Enercon公司也在其E82/E4等机型使用的叶片上都采用了碳纤维复合材料梁帽;德国Repower公司制造的5MW风机叶片，轮毂直径达到了126米，该叶片采用碳纤与玻纤混杂结构制成，单支叶片的重量达到了18吨;丹麦Vestas公司作为世界碳纤维风力机叶片的最大用户，在他们制造的44米长、3MW风电机中的叶片的主梁上采用了碳纤维，叶片重量仅有6吨。Vestas公司从2012年起，又在几乎所有MW级的叶片上使用了碳纤维复合材料制成的筋板和梁帽;西班牙Gamesa在直径为87米(G87)和90米(G90)2MW的风机的叶片中采用了碳纤维/环氧树脂预浸料，其2MW-44m碳纤维叶片仅重5.8吨，相比2MW-39m玻璃纤维叶片轻1.5吨。 123456

另外，GE公司、西门子公司和苏司兰公司在开发海上大型风力机叶片时，都不约而同的选择了碳纤维作为减重材料的首选。国内的中复连众、中材科技等叶片制造商也已经在部分叶型上采用了碳纤维复合材料梁帽，并开展了对大型风力机叶片上采用碳纤维复合材料的研究。 copyright 123456

碳纤维在风叶中的应用逐年增加，据GE公司估计，到2020年前，全球每年平均将新增50GW风机，如果这些风机都使用碳纤维主梁，那么每年风能业的碳纤维需求将达6万吨。 123456

应用优势

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与传统玻纤相比，碳纤维有更优良的力学性能，强度一般在3,500MPa以上，杨氏模量比玻璃纤维高3倍以上，密度却小约30%，且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性突出，所以采用碳纤维或碳纤维/玻纤混杂结构设计可以有效改善风力机叶片的多种性能。

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提高刚度，减轻重量

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由于碳纤维优良的力学性能，大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点，这也是碳纤维在叶片上应用最主要和最直接的优势。 123456

据Zoltek公司和美国堪萨斯州的Wetzel工程设计公司研究显示，当3MW-57m风机叶片主梁使用碳纤维增强复合材料时，与玻璃钢叶片相比，叶片重量减轻27%，且具有更高刚性，更高耐疲劳性，但同时叶片本身的原材料成本上升了13.7%。在10MW-90m风机叶片主梁使用碳纤维增强复合材料制造时，与玻璃钢叶片比较，叶片重量减轻32.5%，原材料成本仅上升了7%。当其外壳与主梁均采用碳纤维增强复合材料制造时，重量减轻了54.6%，而成本却没有增加，甚至还降低了约0.1%。因此，在越大型的叶片上使用碳纤维，其减重的效果越好，性价比越高。 copyright 123456

降低运输和安装成本

碳纤维复合材料明显的减重作用使得叶片运输的成本相应下降，相对应的材料用量、劳动力和安装成本也下降，当叶片超过一定尺寸后，总成本将反而比玻纤叶片更便宜。

提高叶片的抗疲劳性能

风电机组大多处在条件恶劣的环境中，这就要求风力机叶片拥有较好的抗疲劳性能。而碳纤维复合材料抗疲劳特性出众。实验显示，在碳纤维复合材料结构件每平方厘米上能承受四吨左右的压力，并且循环次数高达二千万到三千万次(每分钟二千次循环)而没有产生疲劳破坏。再加上碳纤维复合材料特有的防腐蚀和抗老化特性，碳纤维复合材料可以说是风机叶片适应恶劣气候条件的理想材料。 内容来自123456

改善风机输出功率

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碳纤维复合材料不但降低了叶片重量，还增加了叶片的刚度，在改善了叶片空气动力学性能的同时，也基本杜绝了风力机叶片叶尖部位扫到塔架的可能性。叶片重量的减轻也相应的减少了叶片对塔和轮轴的负载，从而使风机的输出功率更平滑和更均衡，提高能量效率。同时，碳纤维叶片可以设计得更薄，可以采用更高能源效率的叶型设计。 copyright 123456

可制造低风速叶片

碳纤维复合材料使风力机叶片减重的意义还在于同样的负载条件下，可以增加叶片的长度，增大扫风面积，从而可以应用在低风速地区，使风能成本下降，具有极高的巿场价值。2014年，南车时代新材与国防科技大学联合研发了2MW-56.5m超低风速碳纤维叶片，该款叶片应用了碳玻混杂、碳纤维液体成型等多项新型技术，叶片重量减轻了15%，叶片长度却超过了普通2MW叶片，是专为低风速地区设计制造的风力机叶片。

利用导电性能避免雷击

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碳纤维还具有良好的导电性能。普通碳纤维电阻率一般在10-2~10-4Ω•m，高模碳纤维电阻率更在10-6Ω•m左右。在叶片结构设计中，利用碳纤维的导电性能选用碳纤维材料，进行特殊的避雷结构设计，可有效减少，甚至避免雷击对叶片造成的损伤。

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主要问题和解决途径 123456

原材料成本高

碳纤维材料价格昂贵。在碳纤维应用过程中，价格是主要的障碍。适用于风力机叶片产业的高性能碳纤维价格为玻璃纤维的10倍以上。以一根碳纤维主梁为例，重量不到全玻纤主梁的80%，但成本却是后者的5倍。 123456

业内人士普遍认为，只有当叶片超过一定尺寸时，材料用量明显下降以后，碳纤维叶片才能具有比玻璃纤维叶片更低的成本。目前阶段下，叶片生产厂商普遍采用碳纤维和玻璃纤维共混的方法进行叶片结构设计，这种方法的优势不仅在于能有效减少成本的增加，而且还综合了两种材料各自的性能优势。

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从碳纤维产业发展趋势来看，由于技术的进步和各碳纤维巨头产能的不断扩张，碳纤维生产成本和销售价格未来还具有进一步下降的可能。同时，新的低成本碳纤维生产工艺也在研究之中。

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技术制约 本文来自123

(1)碳纤维直径较小而表面积较大，在复合材料成型加工时浸润比较困难。这也是一些厂家采用碳纤维预浸料工艺的原因。而碳纤维预浸料在储存和运输过程中均需要冷藏，一定程度上限制了生产效率的提高。

(2)碳纤维的铺层方向，纤维取向和编织工艺等对碳纤维复合材料的性能影响也比较大，而且由于刚度差异、热胀系数差异等问题导致的碳玻界面的结合问题，也给碳纤维复合材料叶片带来了一定的技术风险。

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(3)碳纤维本身呈黑色，与树脂基体结合后的碳纤维复合材料也呈黑色，透明性较玻璃纤维复合材料差，难以进行内部检查，往往需要借助无损检测技术，包括超声，声发射以及红外等技术来进行质量检测。

虽然有成本和技术上的影响，但碳纤维在大型叶片中的应用已成为一种趋势。随着未来碳纤维成本可能的下降趋势和性能的普遍提高，碳纤维应用工艺及结构设计对碳纤维复合材料乃至碳纤维叶片性能的影响将变得尤为重要，如何改进碳纤维叶片的液体成型工艺，采用何种编织工艺，以及如何更精细的进行工艺过程控制和质量检测将是叶片工作者们今后继续努力探索的重要方向。