碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片制造中的應(yīng)用獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片制造中的應(yīng)用獲獎(jiǎng)科研報(bào)告摘要：風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)前電能生產(chǎn)的重要形式，科學(xué)合理的進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計(jì)和制造，能有效地提升風(fēng)力發(fā)電效率，降低發(fā)電成本。本文闡述碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片制造中的應(yīng)用優(yōu)勢，并在當(dāng)前碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用問題分析的同時(shí)，指出利用碳纖維復(fù)合材料制造風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的具體策略。期望能提升碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用水平，繼而在保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片工作性能的同時(shí)，推動工業(yè)電能生產(chǎn)及社會經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；葉片制造

電能是一種清潔化的工業(yè)生產(chǎn)原料，其為多個(gè)領(lǐng)域的生產(chǎn)建設(shè)提供了動力支撐。新經(jīng)濟(jì)形態(tài)下，人們對于電能的需求總量不斷增加，這使得電能生產(chǎn)成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)問題。風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)前電能生產(chǎn)的重要形式，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片直接影響著電能生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，現(xiàn)階段，碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片制造中得以廣泛應(yīng)用，其在優(yōu)化風(fēng)電生產(chǎn)模式的同時(shí)，為解決電能短缺問題創(chuàng)造了可能，本文就碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片制造中的應(yīng)用要點(diǎn)展開分析。

一、碳纖維材料的應(yīng)用優(yōu)勢

碳纖維材料是一種性能優(yōu)異的新材料，其在熱處理轉(zhuǎn)化工藝的支撐下，使得無機(jī)高性能纖維材料中的含碳量高達(dá)90%，具有如軟可加工、力學(xué)性能突出的特征。現(xiàn)階段，碳纖維材料在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片制造中得到了廣泛應(yīng)用，從應(yīng)用過程來看，其具有以下優(yōu)勢：

1、提升葉片自身性能

傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片制造中，玻璃纖維是其基本的制作材料，該材料剛度一般，且質(zhì)量較大。而碳纖維材料的碳含量較高，其能有效提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的剛度，同時(shí)基于自身纖維材料的特性，其質(zhì)量較輕，充分滿足了當(dāng)前發(fā)電機(jī)葉片高彈輕質(zhì)的要求[1]。此外，在風(fēng)力發(fā)電過程中，葉片處于高負(fù)荷運(yùn)作狀態(tài)，這使得葉片的磨損較大，尤其在惡劣環(huán)境下，其運(yùn)轉(zhuǎn)效率會持續(xù)下降。而碳纖維材料抗磨能力加強(qiáng)，其能在提升葉片抗疲勞性的同時(shí)，提升整機(jī)性能。

2、降低風(fēng)力發(fā)電成本

實(shí)現(xiàn)發(fā)電成本和效率的統(tǒng)籌是當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電的內(nèi)在要求。在碳纖維材料使用過程中，葉片材料質(zhì)量輕、強(qiáng)度大的優(yōu)勢使得塔和輪軸的負(fù)荷進(jìn)一步降低，其使得發(fā)電能耗不斷降低，有效的提升了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的能量輸出和使用效率。同時(shí)，碳纖維材料具有一定導(dǎo)電性，通過結(jié)構(gòu)接地設(shè)置，可以有效的防止了雷擊對葉片的損害，建設(shè)設(shè)備損壞成本。此外，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片處于一定范圍時(shí)，其總體效益高于一般材料，同時(shí)受葉片質(zhì)量較輕等因素的影響，采用碳纖維材料制造風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片可以節(jié)省運(yùn)費(fèi)和人工成本，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電效率與經(jīng)濟(jì)的全面統(tǒng)籌。

二、碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片制造中的應(yīng)用問題

研究表明，風(fēng)力發(fā)電的價(jià)格成本和發(fā)電機(jī)功率呈反比例關(guān)系，即隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率的提升，風(fēng)電企業(yè)單位發(fā)電成本就會越低。實(shí)踐中，葉片是影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率的重要因素，為提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片應(yīng)用效率，碳纖維復(fù)合材料已成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片制造的重要材料。然而從目前應(yīng)用過程來看，我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片制造過程中的碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用尚在較大缺陷，具體表現(xiàn)如下：

1、碳纖維復(fù)合材料價(jià)格昂貴

價(jià)格因素是制約碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的主要因素之一。從應(yīng)用過程來看，碳纖維復(fù)合材料價(jià)雖然具有良好的應(yīng)用性能，然而其技術(shù)研究和規(guī)?；a(chǎn)過程存在脫節(jié)狀況，這使得市場上的碳纖維復(fù)合材料難以滿足實(shí)際應(yīng)用需要，由此使得材料的價(jià)格明顯較高。在風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)中，部分投資商基于成本壓力和短期效益考慮，放棄了使用碳纖維復(fù)合材料，這對風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的制造形成阻礙。

2、傳統(tǒng)材料的慣性思維

碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用還受到人們慣性思維的影響。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片生產(chǎn)中，玻璃纖維材料雖然脆性更高，且容易產(chǎn)生磨損疲勞，然而隨著長時(shí)間的應(yīng)用，人們已經(jīng)逐漸熟悉了其在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片制造中的要點(diǎn)，即通過生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，玻璃纖維材料的使用壽命還是能夠得到保障的。故而在當(dāng)前生產(chǎn)中，很對投資者會習(xí)慣性的選擇玻璃纖維材料制造風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，這影響了碳纖維復(fù)合材料市場的形成與成熟。

三、碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片制造中的應(yīng)用要點(diǎn)

新時(shí)期，人們對于風(fēng)電的需求總量不斷增加，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片制造過程優(yōu)化勢在必行。采用碳纖維復(fù)合材料制造風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片時(shí)，其設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用過程需注重以下要點(diǎn)。

1、碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用設(shè)計(jì)

將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)于與風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的關(guān)鍵部位是解決發(fā)電成本問題的有效手段。具體而言，碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片關(guān)鍵部位的設(shè)計(jì)包括：其一，優(yōu)化碳纖維復(fù)合材料在主梁帽上的應(yīng)用?，F(xiàn)階段，主梁帽是碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用主多的部位，同時(shí)其也是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)單元[2]。從應(yīng)用效果來看，利用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行主梁帽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠有效的減輕設(shè)備主體質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輕量化發(fā)展。研究表明，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片規(guī)格為50m時(shí)，采用碳纖維復(fù)合材料制造的葉片，其質(zhì)量比玻璃纖維材料質(zhì)量輕16%。其二，在蒙皮表面設(shè)計(jì)中，可在碳纖維復(fù)合材料的支撐下，可對風(fēng)電葉片的表面進(jìn)行蒙皮優(yōu)化，這不僅能降低外界環(huán)境對葉片的侵蝕，而且能有效的提升葉片的抗壓、抗拉能力，確保設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。其三，碳纖維復(fù)合材料還可以應(yīng)用在葉片根本部位，該設(shè)計(jì)能夠降低葉片旋轉(zhuǎn)對根部螺栓的壓力，避免根部螺栓發(fā)生斷裂。其四，與玻璃纖維材料相比，碳纖維復(fù)合材料還可以有效的降低雷擊對風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的影響，提升設(shè)備應(yīng)用的安全性。

2、碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用策略

目前，碳纖維復(fù)合材料的整體較高較為昂貴，要采用碳纖維復(fù)合材料制造風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，就必須實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電成本要素的全面統(tǒng)籌，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)電成本與效益的協(xié)調(diào)。該環(huán)節(jié)中應(yīng)注重以下策略把控：其一，國家政府部門應(yīng)發(fā)揮自身宏觀調(diào)控功能，對碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展加以引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)該材料的規(guī)模化生產(chǎn)，降低其價(jià)格。其二，應(yīng)通過政府補(bǔ)貼的形式，對采用碳纖維復(fù)合材料制造風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的企業(yè)進(jìn)行補(bǔ)貼，增強(qiáng)企業(yè)應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料葉片的動力。其三，還應(yīng)進(jìn)一步深化碳纖維復(fù)合材料技術(shù)研究，通過技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)其在葉片制造中的成本控制。

結(jié)論

碳纖維復(fù)合材料能夠有效的