4.碳纖維在風力發電機葉片中應用的優勢
碳纖維的應用優勢:
(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%,強度大40%,尤其是模量高3至8倍。大型葉片采用碳纖維增強可充分發揮其高彈輕質的優點。荷蘭戴爾弗理工大學研究表明,一個旋轉直徑為120米的風機的葉片,由于梁的質量超過葉片總質量的一半,梁結構采用碳纖維,和采用全玻纖的相比,重量可減輕40%左右;碳纖維復合材料葉片剛度是玻璃纖維復合材料葉片的兩倍。據分析,采用碳/玻混雜增強方案,葉片可減重20~30%Vesta Wind System公司的V90 3 Mw發電機的葉片長44m,采用碳纖維代替玻璃纖維的構件,葉片質量與該公司V80 2 MW 發電機且為39米長的葉片質量相同。同樣是34m長的葉片,采用玻璃纖維增強聚脂樹脂時質量5800kg,采用玻璃纖維增強環氧樹脂時質量5200kg,而采用碳纖維增強環氧樹脂時質量只有3800kg。其他的研究也表明,添加碳纖維所制得的風機葉片質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合材料性能比較。圖5為完全碳纖維葉片和目前歐洲商業化的葉片重量比較。

(2)提高葉片抗疲勞性能
風機總是處在條件惡劣的環境中,并且24小時的處于工作狀態。這就使材料易于受到損害。相關研究表明,碳纖維合成材料具有出眾的抗疲勞特性,當與樹脂材料混合時,則成為了風力機適應惡劣氣候條件的最佳材料之一。
(3)使風機的輸出功率更平滑更均衡,提高風能利用效率
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力學性能,減少對塔和輪軸的負載,從而使風機的輸出功率更平滑和更均衡,提高能量效率。同時,碳纖維葉片更薄,外形設計更有效,葉片更細長,也提高了能量的輸出效率。
(4)可制造低風速葉片