近年來，隨著全球環境危機意識增強以及可再生資源利用需求旺盛，風電產業發展越來越受重視。風電葉片作為風電機組中捕獲風能的關鍵部件，其葉片長度與發電能力正相關，即：葉片長度越長、發電能力也越高。

隨著風電葉片長度增大、葉輪直徑增加，其對材料特性需求也越來越明確，輕質、高強、高剛、耐疲勞等，而碳纖維似乎兼顧了這些特性。

本文主要結合未來風電領域發展趨勢，介紹隨著葉輪直徑大幅增加，在結構設計時對材料特性需求，并提出碳纖維何種發展趨勢來滿足要求。


背景介紹

基于全球各國環保意識增強，未來20年利用可再生資源實現發電的發展趨勢如圖1所示，其中可再生資源發電包括氫能發電、生物發電、風能發電、太陽能發電以及其他方式如地熱發電等。


而對于風電領域，全球風電裝機總量呈現高速增長趨勢，尤其是對于超大型（＞2.5MW）以上十年增長了近50倍（圖2）。


自上世紀80年代至2020年，國外風電葉片長度發展如圖3所示，國外風電葉片長度最長已經達到126m。


伴隨風電葉片長度增加，風電葉輪直徑也大幅提高，由上世紀80年代50kw時15m提高到目前10MW時180m。


風電葉片結構設計及材料特性需求

1、結構設計要求：

隨著風電葉片長度增加、葉輪直徑增大，其結構設計要求越來越高，主要設計要求包括：
※ 葉片必須滿足剛度要求以抵抗極端負荷；
※ 葉片具有優異耐疲勞特性，在其整個使用壽命期間必須承受疲勞載荷；
※ 葉片必須堅硬，具有一定強度，以防止在極端載荷下與塔架碰撞；局部剛度也必須足以防止極端載荷，局部剛度還必須足以防止受壓組件的不穩定性（避免局部或整體屈曲）；
※ 葉片結構應盡可能輕，以最大程度地降低發電成本，此外應避免共振。

2、材料特性要求：

在材料特性方面，結構設計要求轉化為以下材料要求：
※ 需要高強度才能承受極端載荷；
※ 需要高疲勞強度以抵抗變化的載荷并減少維修期間的材料降解；
※ 需要很高的材料剛度，以保持葉片的空氣動力學形狀，防止與塔架碰撞，并防止在壓縮載荷下局部不穩定（屈曲）；
※ 需要低密度以減小重力并最小化動力成本。

3、復合材料必要性：

按照結構梁質量與剛度之間函數關系式，對于既定剛度的結構梁，如果實現結構質量最輕，則需要E^(1/2)/ρ數值越大。


由于材料特性不同，因此E^(1/2)/ρ數值也存在一定差異（圖6），總體而言復合材料體密度明顯低于金屬材料，而模量卻可與金屬相當，因此按照圖5函數關系，E^(1/2)/ρ數值大則易于輕量化。

風電葉片用碳纖維材料的發展

碳纖維材料與玻璃纖維、芳綸纖維、以及其他金屬特性對比如表1所示，結合圖5函數關系，碳纖維高比強度是其在風電葉片領域獲得應用的關鍵，尤其對于高模量碳纖維，其比剛度最高。

表1 不同材質力學性能特性


隨著風電葉片長度增加，要求風電葉片用碳纖維復合材料具有優異的剛度，來保持葉片的空氣動力學形狀，并防止與塔架碰撞，因此高模量碳纖維勢必成為大型風電葉片用材料發展趨勢。

日本東麗公司經研究指出，對于大型風電葉片隨著葉片長度增加必須采用高模量碳纖維（圖7），其原因在于當葉片長度為50m時，采用玻璃纖維材質彎曲系數為4.6，而碳纖維僅為1.4，也就意味著玻璃纖維材質葉片剛度難以滿足要求，易于發生彎曲，長時間運行后會與塔架發生碰撞。


雖然高模量碳纖維符合為了大型風電葉片的性能要求，尤其是近期國內外開發的第三代的兼具高強度高模量特性的新型碳纖維可同時解決材料強度、剛度等問題，但如何降低實際使用過程中的成本仍待深入探索。

碳纖維輕質高強特性對于汽車工業而言具有極大吸引力，CFRP大規模應用不但可以有效降低汽車車身重量，降低能耗，而且在CO2減排具有積極意義，雖然碳纖維具有較高價格，但是國外大型車企仍欲欲躍試。