风电叶片碳纤维复合材料应用探微

      1 风力发电技术的发展现状 
　　在现阶段发电部门重点研究的技术中，风力发电是其中的重要组成，在环保和经济领域，风力发电技术发挥了至关重要作用，其未来的发展也将不可限量。在运用风力进行发电时，离不开风能和风电叶片的运用，在风电机的组成部分中，叶片是非常重要的部分，其与众多领域都有着密切联系，叶片的优化能够提升电能的转化效率。通常情况下，叶片长度与风机功率为正比例关系，为了实现风机功率的提高，设计人员在对叶片进行设计时，会增加其长度，同时，也加大了叶片重量。为了促进风力发电技术的良好发展，在加大叶片长度时，还应当对叶片制作成本进行控制，实现制作成本的降低。 
　　2 风电叶片碳纤维复合材料的应用 
　　2.1 主梁帽 
　　现阶段，对于风机叶片来说，主梁帽是碳纤维最主要的应用部位，通过运用GFRP主梁帽，能够有效提升叶片钢度，与此同时，能够实现叶片重量的明显降低。根据国外有关专利及研究的相关报道，在叶片主梁帽的局部位置中，部分企业能够对碳纤维进行运用。2004年，在GEC设计的50m的风电叶片中，50%总长度的叶片主梁帽是由CFRP组成的，与全GFRP的风电叶片相比较，关于叶片主梁帽的厚度方面，减少了将近一半，关于叶片的重量方面，由9790kg下降到8236kg，减少了16%的重量，在叶根部位处，重力诱导弯矩缩减了26%。在这样的结构内，从全玻璃纤维过渡到全碳纤维复合材料的过程中则需要注意做好应变和刚度的优化，过渡区材料匹配问题。 
　　2.2 蒙皮表面 
　　在整个蒙皮表面都可以运用的碳纤维，能够将内支撑梁上的受力与扭矩作用进行减少，利用相关的设计工作，“材料诱导式”的叶片受灾扭曲耦合就能够完成。根据NEG麦康公司的有关专利报道，在对叶片蒙皮横截面外部圆周的薄层进行加固时，60%～85%的叶片总长度都是用CFRP条来进行加固的，利用这个薄层，能够将蒙皮抵抗拉力和压力性能进行显著提升。此外，根据其他相关专利报道，在对叶片迎风面锰铁进行制作时，全部采用GFRP来完成，在对主要承受压缩荷载的背风面蒙皮进行制作时，则是通过运用碳纤维或玻璃纤维复合材料来完成。 
　　2.3 叶片根部 
　　在对叶片根部位置进行制作时，通过运用碳纤维材料能够起到两方面作用，一方面关于根部材料的锻炼强度和承载强度方面，能够明显提升根部材料的锻炼强度和承载强度，明显降低施加在螺栓上的动态载荷性能，另一方面能够使叶跟法蘭处的螺栓数量增多，有利于巩固叶片与轮毂连接处的性能，能够将该连接处静态强度和疲劳强度进行提升。 
　　2.4 叶片前后缘防雷系统 
　　根据国外有关专利的相关报道，在叶片前缘及后缘位置处，利用碳纤维来进行制作，通过碳纤维会对叶片刚度和叶片质量产生一定影响，能够将叶片高度进行明显提升，与此同时，也能够将叶片质量进行降低，除此之外，经过特殊的设计工作，还具备一些特殊性能，能够对叶片起到很好保护作用，通过特殊设计工作的开展，能够使叶片高效避免雷击损伤，避免雷击对叶片性能进行破坏，能够使叶片的相关性能得到很好保障。 
　　2.5 靠近叶尖部分 
　　根据LM公司有关专利的相关报道，在25%至50%的整体叶片长度，也就是靠近叶尖的部分中，在对这个部分进行制作时，通过利用CFRP来完成，在叶根部位的临近处，则是通过利用GFRP来制作完成，在中间过渡区域中，通过GFRP来逐步取代CFRP。利用CFRP来对临近叶尖位置处进行制作，其具有较少重量，可以利用比较少的材料，对叶根临近部位进行制作，这样能够将轮毂上的负载性能进行降低。除此之外，在具有较大高度的叶尖位置处，可以对其采取相关减小方法与措施，这样可以使叶片振动方向和强度得到保证，当叶片出现偏振状况时，特别是偏振情况比较强烈时，在很大程度上，能够导致叶片尖部对杆塔位置进行击打，一旦出现这种情况，就会对机械设备和人员安全问题产生威胁。在相对较低刚度的叶根位置上以及相对比较硬的叶尖部位处，就会促进偏斜形状形成，这样就能够提升气动阻尼，通过气动阻尼的不断增加，能够将气动载荷性能进行降低。此外，利用中间过渡区域，能够使CFRP与GFRP中间刚度突发变化，而造成的应力集中情况得到很好避免。 
　　3 结语 
　　风力发电机已经日渐成为电力行业发展的重点研究项目，通过风能进行发电则可以对能源予以利用，并到达更好的电能发电效果。将碳纤维复合材料应用到风电叶片设计之中，不仅能够增加风机的功率，而且能够增加减小叶片碰撞塔架的概率，对于发电效果的优化和提升具有重要影响。相关人员还要就此方面予以深入研究，让碳纤维复合材料的应用成为风电叶片设计常态，让我国的风力发电事业得以长足发展。 
　　参考文献： 
　　[1]李奇辉，刘向阳，房晓斌.碳纤维复合材料的应用现状及我国碳纤维工业的发展方向[J].价值工程，2016（17）：113-115. 
　　[2]常燕，王兆增，崔元胜，安运成，徐秋红，仪海霞，高阳峰，聂锡铭.风电叶片复合材料的研究进展及其应用[J].工程塑料应用，2014（04）：135-139.