【技术干货】复合材料技术报告：风力叶片设计中碳纤维复合材料的优化设计

编者按

碳纤维复合材料在国外应用已经近60年的历史，碳纤维复合材料在航空航天、汽车工业、风电叶片等领域的应用极大促进了产业升级，而在应用研究中，碳纤维复合材料从设计到应用经历了漫长的过程，国外在由大量经费资助了碳纤维复合材料研究项目。

为了提升碳纤维复合材料的专业技术知识，本公众号特此建立了复合材料技术报告专题，简要介绍了国外各领域碳纤维复合材料技术开发，本文主要介绍了风力叶片设计中碳纤维复合材料优化设计。

此次技术报告《Optimized Carbon Fiber Compositesin Wind Turbine Blade Design》来源于美国桑迪亚国家实验室，于2019年11月正式发布。该项研究的目的是评估开发具有成本竞争力的碳纤维复合材料的商业可行性，尤其是风力涡轮机叶片所经历的独特负载。

风能行业是一个成本驱动的市场，而碳纤维材料是为性能驱动的航空航天行业开发的。与玻璃纤维相比，碳纤维具有显著提升的高刚度、高强度和单位质量的抗疲劳性，因此碳纤维在减少风机叶片质量方面具有众所周知的优势；然而，较高的相对成本阻碍了其在风电行业的广泛采用。

据估计，陆上风力涡轮机的设计将使用更长的叶片，而海上风能市场将需要非常大的叶片来满足大于10兆瓦的额定功率。尽管行业在叶片长度方面有所增长，但风轮机翼梁帽中碳纤维的使用预计不会大幅增加市场份额，如下图所示，涡轮制造商在叶片设计中避免使用碳纤维的原因包括高价格、价格波动问题、制造敏感性和供应链限制等问题。

从纺织工业中衍生出来的新型碳纤维材料被作为一种更适合风力工业的材料，并通过验证的材料成本模型和机械试验对其进行了表征。在具有代表性的陆基和海上参考风力涡轮机模型中，将新型大丝束纺织碳纤维与商用碳纤维和玻璃纤维材料进行了比较。

与风电工业中常用的商业碳纤维材料相比，使用这种新型大丝束碳纤维可以显著降低成本，并在最重要的机械性能（如模量和抗压强度）方面具有相似的性能，从而降低了梁帽材料的成本设计。抗压强度与成本之间存在着复杂的关系，但对于大丝束碳纤维而言，拉压比更为理想。与基准碳纤维材料相比，抗拉强度降低了-40%，但对于风力涡轮机叶片设计而言，这是更为优化的，以减少材料前驱体成本。

由于强度和刚度之间的关系，碳纤维使细长叶片设计更具成本效益。细长叶片设计的空气动力学效率更高，除了利用较少的壳体材料外，还可获得能量并减少推力载荷。细长的设计也可能会降低运输成本，减少大型陆基旋翼的约束条件。碳纤维叶片设计具有较低的质量，从而为传动系统和结构部件及轴承带来系统成本效益。

与玻璃纤维设计相比，碳纤维设计具有更高的模态频率，碳纤维翼梁帽材料的疲劳寿命预计至少是陆地和海上参考涡轮机玻璃纤维设计寿命的两倍，从而延长设计寿命和/或提高材料的回收利用价值。

碳纤维翼梁帽在减少叶片质量和提高疲劳寿命方面具有一些优势。当通过优化以满足设计约束的梁帽的材料成本估算时，观察到这种新型碳纤维甚至优于玻璃纤维。这项研究揭示了一条途径，使风能行业能够更广泛地使用碳纤维，从而使更大的转子能够以更低的成本捕获更多的能量。