碳纤维复合材料在风力发电上的应用已经得到了验证,但是具体使用在风机上的哪些部位需要从设计角度来权衡。考虑到碳纤维复合材料的价格因素以及存在的缺陷,因此以下的5个部位是比较理想的应用实例。
 
碳纤维复合材料在风电叶片中应用实例
 
碳纤维复合材料在风电叶片中应用实例
 
1、主梁帽:碳纤维复合材料在风电叶片中最重要的应用部位就是主梁帽,碳纤维主梁帽大幅减轻了叶片的重量,是目前风力发电机中最为常用的一种。2004年GEC设计了一个用于3MW机组的风力叶片,长度约为50m,叶片主梁帽中50%由碳纤维复合材料制成,另外50%由玻璃纤维复合材料制成,相比于全玻璃纤维的叶片,该款叶片的重量从9790kg下降到8236kg,减轻了16%,叶根处的重力诱导弯矩减少了26%。
 
2、蒙皮表面:碳纤维复合材料还可以使用在蒙皮表面上,减少作用在支撑梁上的受力和扭矩,采用良好的结构设计可以实现“材料诱导式”的叶片受载弯扭耦合。据NEG麦康公司的专利报导,叶片在总长度的60%到85%部分用碳纤维复合材料条带加固叶片蒙皮横截面外部圆周的一个薄层,可明显提高蒙皮抵抗拉力和压力的能力。
 
3、叶片根部:碳纤维复合材料使用在叶片根部时,可以增加根部材料的承载强度和断裂强度,促使施加在螺栓上的动态载荷减少,同时增加根部法兰处的螺栓数量,从而增加叶片和轮毂连接处的静态强度和疲劳强度。
 
4、叶片前后缘防雷系统:碳纤维复合材料使用于风机叶片的前后缘,不仅可以提高叶片刚度、降低叶片质量,利用特殊设计还可以具备避雷效果,降低自然雷电对叶片的损伤。
 
风力发电机叶片的结构
 
碳纤维复合材料在风电行业中应用前景
 
考虑到复合材料迭代的因素,目前风力发电机的叶片上玻璃纤维复合材料的使用更多。另外现阶段碳纤维复合材料的价格较高,想要替代玻璃纤维复合材料还需要一定的时间。
 
未来风电的发展对于碳纤维复合材料的用量会有一个逐渐上升的趋势,在海上风电领域这个趋势更为明显。海上风电机组的额定功率超过20MW、转子直径超过200m,在主梁帽、蒙皮等部位使用碳纤维复合材料,所带来的风能利用率更高。
 
碳纤维复合材料的加入,可以降低风力发电的成本。随着更多风力电机组相关制造厂商的加入,市场区域良性,技术不断更新,碳纤维复合材料的价格走低,将会更好的服务于风力发电领域。