复合材料及碳纤维在风电叶片中的应用现状

复合材料及碳纤维在风电叶片中的应用现状

王玉红

国电联合动力技术（赤峰）有限公司 内蒙古 赤峰 024000

摘要：近年来,各行各业的快速发展在中国,作为一个风力涡轮机捕获风能的关键组件,设计和开发的叶片通常是第一个气动外形设计,然后进行复合材料选择和结构设计,最后设计叶片的动态响应分析。随着风力机尺寸的增大，叶片增大的速度加快。这一趋势使得风力机叶片的迭代设计过程更加困难，增强了复合材料选择、结构设计和气动外形设计的耦合性。因此，在常规设计流程的基础上，对联轴器的研究成为大型风力机叶片开发中的一个重要技术环节。

关键词：复合材料；碳纤维；风电叶片；应用现状

引言

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雷击测试认证

该认证包括两次高压测试和两次大电流测试。高压试验包括高压初始导频试验和高压扫描通道试验。大电流试验包括大电流电弧感应试验和大电流传导试验。在自然界中，闪电的形成往往伴随着特高压和超大电流的注入。然而，在实验室模拟雷击过程中，雷电的电压和电流不能同时耦合到一个测试波形中进行测试。因此，有必要在雷击试验中分别进行高压试验和大电流试验。其中，大电压试验主要验证叶片雷电附着点的面积。大电流测试主要是验证抓叶装置成功捕捉雷击后，能否顺利放电雷击电流。根据新发布的IEC61400-24—2019标准，相关试验的主要验证内容如下:(1)高压初始中试:主要验证叶片实际闪蒸过程中可能出现的附点。(2)高压扫道试验:叶片由于自身旋转会远离闪电通道，导致闪电电流沿叶片表面爬行的情况。本次试验主要验证叶片成功被雷击后，在雷电爬行过程中叶片的蒙皮是否会被击穿。(3)大电流电弧引入试验:主要是验证叶片闪光接收器在闪光成功连接后是否能承受相应的能量和电荷转移量而不造成叶片结构层的损伤。

2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。需要关注的是，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。

结语

从选定的三个设计区域对关键影响参数进行调整，并对其对叶片性能的影响进行评估。风力机叶片具有快速大型化的过程，除了单向的形-材料-结构设计过程外，还需要考虑复合材料选择对叶片气动设计的关键影响区域。这样可以有效的指导大型叶片的发展。

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．