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碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90％以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。
) u, n( H1 V0 D9 k/ k' N 碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，做成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在强度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。
1 t% V/ F+ ^% }5 t7 q/ r3 A2 r随着发电单机功率的增加，要求叶片的长度增加。于是，对于叶片来说，刚度也是一项重要的指标。始于上世纪末的相关研究表明，碳纤维合成材料具有出众的抗疲劳能力，当与树脂材料混合时，则成为了风力机适应恶劣气候条件的最佳材料之一，碳纤维复合材料刚度是玻璃钢的2到3倍。但是碳纤维复合材料的价格是玻璃钢的10倍。其不高的性价比制约了其在低功率风机中的应用。但是高功率风机比如3兆瓦级的风机，国际厂商已经开始采用碳纤维复合材料，并认为叶片长度超过一定范围后，碳纤维复合材料成本并不比玻璃纤维增强树脂高。由于它是半导体材料，所以必须避免雷电来袭对叶片的损伤。0 z4 @/ C6 s7 s3 m
据国际咨询公司UtiliPoint总裁Bob Bellemare称：对于风力发电机而言，碳纤维是即将来临的潮流。一般较小型的叶片(如22m长)选用量大价廉的E-玻纤增强塑料，树脂基体以不饱和聚酯为主，也可选用乙烯酯或环氧树脂，而较大型的叶片(如42m以上)一般采用CFRP或CF与GF的混杂复合材料，树脂基体以环氧为主。2 X$ I9 T! m: E. C0 f* H+ ]7 \9 R
美国的研究表明，采用射电频率等离子体沉积去涂覆E-玻纤，其耐拉伸疲劳就可以达到碳纤维的水平，而且经这种处理后可以降低能实际上导致损害的纤维间微振磨损。LM玻璃纤维公司进一步开发以玻璃钢为主，在横梁和叶片端部只少量选用碳纤维的61m大型叶片，以发展5MW的风力机。" n: K. F8 n$ O/ x/ \7 ]5 [9 D7 ?
目前最大功率的风机是5兆瓦级的风机，预计2010年将开发出10兆瓦级的风机。6 ^, b6 }9 i. g; B1 o: G: I
叶片是风机的关键部件之一，涉及到气动、复合材料力学、工艺等领域。叶片的长度和风机的功率成正比。在兆瓦级风电机组中，如1MW的叶片长31米，每片重约4-5t；1.5MW 主力机型风力机叶片长34～37m， 每片重约6t；目前商业化风力发电所用的电机容量一般为1.5—2.0MW，与之配套的复合材料叶片长度大约32—40米，重6-8t；现代的54m大型叶片重13t。现今世界上最大5MW的风力发电机的叶片长61.5米，单片叶片的重量接近18 t，旋转直径可达126.3米。# M/ T% g' x; p( _2 R
当叶片长度增加时，叶片的重量增加要快于能量的提取。因为重量的增加和叶片长度的立方成正比，而功率的增加和叶片长度的平方成正比。同时随着叶片长度的增加，对增强材料的强度和刚度提出了新的要求。为了保证在极端风载下叶尖不碰塔架，叶片必须要有足够的刚度。减轻叶片的重量，同时保证强度和刚度要求，有效的办法就是采用碳纤维增强材料。
) v' S( u3 V9 f3 L" K 国外碳纤维用于叶片制造的厂家主要有：
5 I Z; V) t$ G, J: c ＊ 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； # w$ I% B) }7 ?& O0 L( W X
＊ 德国叶片制造商Nordex Rotor新制造的56米长，5MW风机叶片的整个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
; b, s9 i4 m- A8 N# j8 y ＊ Vestas Wind System 在他们制造的44米长、V-90 3.0 MW风电机中的叶片的梁采用了碳纤维。2004年12月Zoltek Companies Inc．宣布与Vestas wind Systems AS公司订立长期战略合同，在前三年提供价值8千万到1亿美元的碳纤维用于制造风机叶片；Zoltek Companies Inc在股东大会上宣布对NEG Micon的碳纤维合同将从每年150吨增加一倍。同时每年分别向Vestas和Ganesa各提供1000吨，所用牌号为Panex33 48K； 5 Z9 k' @8 T2 o# K. g; M& B6 J" {
＊ 西班牙Gamesa在他们旋转直径为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，G90叶片长44米，质量约7t。 " B- R7 O: f* ?6 H4 P
＊ NEG Micon在40米的叶片中采用了碳纤维增
* Q2 e' q w4 w( Q6 \+ r ＊ 德国Enercon GmbH在他们的大型叶片的制造中也使用了碳纤维。 ; l/ u1 j/ f% C, } {* W0 P
华盛顿的Kirkland公司收到美国能源部（U.S.Department of Energy ）的75万美元，作为研发资金，和TPI Composites公司合作，发展碳纤维风机叶片，以求得最大的能量获得，同时减轻风机的负载。方案通过对30-35m长叶片的设计，制造和测试以证明先进的碳纤维混编设计的商业可能性。碳纤维在风叶中的应用逐年在增加。
0 G: R1 ]/ E; g" t( d. ^碳纤维比玻璃纤维昂贵的多，因此在叶片中百分之百使用碳纤维是不合算的。一般采用碳纤维和玻璃纤维混合使用，碳纤维只是用到了一些关键的部分。 |
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发表于 2010-1-1 12:38:58
