碳纤维复合材料用于风力发电机中
横梁(Spar),尤其是横梁盖(SparCaps)。
前后边缘,除了提高刚度和降低质量外,还起到避免雷击对叶片造成的损伤(专利US6457943BI),如图3中涂黑的部分采用碳纤
维。(专利EP1485611)
叶片的表面,采用具有高强度特性的碳纤维片材(日本专利JP2003214322)。
4.碳纤维在风力发电机叶片中应用的优势
碳纤维的应用优势:
(1)提高叶片刚度,减轻叶片重量
碳纤维的密度比玻璃纤维小约30%,强度大40%,尤其是模量高3至8倍。大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。荷兰戴尔弗理工大学研究表明,一个旋转直径为120米的风机的叶片,由于梁的质量超过叶片总质量的一半,梁结构采用碳纤维,和采用全玻纤的相比,重量可减轻40%左右;碳纤维复合材料叶片刚度是玻璃纤维复合材料叶片的两倍。据分析,采用碳/玻混杂增强方案,叶片可减重20~30%VestaWindSystem公司的V903Mw发电机的叶片长44m,采用碳纤维代替玻璃纤维的构件,叶片质量与该公司V802MW发电机且为39米长的叶片质量相同。同样是34m长的叶片,采用玻璃纤维增强聚脂树脂时质量5800kg,采用玻璃纤维增强环氧树脂时质量5200kg,而采用碳纤维增强环氧树脂时质量只有3800kg。其他的研究也表明,添加碳纤维所制得的风机叶片质量比玻璃纤维的轻约32%,而且成本下降约16%。表2所示为玻纤和碳纤及复合材料性能比较。图5为完全碳纤维叶片和目前欧洲商业化的叶片重量比较。
(2)提高叶片抗疲劳性能
风机总是处在条件恶劣的环境中,并且24小时的处于工作状态。这就使材料易于受到损害。相关研究表明,碳纤维合成材料具有出众的抗疲劳特性,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。
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