研究证明碳纤维涡轮叶片可以提高风力发电效率

电力18讯：

桑迪亚国家实验室的研究人员领导的一项研究表明，一种新的碳纤维材料如果商业化开发，将为风力发电行业带来成本和性能效益。

含碳纤维的风叶比传统玻璃纤维材质的风叶轻25%。这意味着碳纤维叶片可能比玻璃纤维叶片更长，因此，在风力较低的地方可以捕获更多的能量。桑迪亚实验室风能研究员、该项目首席研究员说，改用碳纤维还可以延长叶片寿命，因为碳纤维材料具有很高的抗疲劳性。该项目由能源部能源效率和可再生能源办公室的风能技术办公室资助。该项目的合作伙伴包括橡树岭国家实验室和蒙大拿州立大学。

在所有生产风力涡轮机的公司中，只有一家在叶片设计中广泛使用碳纤维材料。研究人员说，风力涡轮机叶片是世界上最大的单件复合材料结构，如果一种与玻璃纤维增强复合材料在成本-价值基础上竞争的材料能够在市场上买到，风力行业就可以代表碳纤维材料重量的最大市场。

然而，风能和碳纤维行业目前并不重叠。风电行业仅使用商用材料设计风力涡轮机叶片，碳纤维制造商面临着创新的障碍，因为引入风电行业的新生产线会产生高昂的资本成本。

新型低成本碳纤维具有良好的风电性能

成本是风电行业部件设计的主要考虑因素，然而涡轮机制造商也必须制造出能够承受叶片在旋转长达30年时承受的压缩和疲劳载荷的叶片。

研究人员想知道，橡树岭国家实验室开发的一种新型低成本碳纤维能否满足性能需求，同时也能为风力发电行业带来成本效益。这种材料从纺织工业中广泛使用的前体开始，它含有厚厚的腈纶纤维束。制造过程中，加热纤维将其转化为碳，然后是一个中间步骤，将碳纤维拉成木板。板材制造拉挤工艺制造出的碳纤维具有叶片制造所需的高性能和可靠性，同时也具有高生产能力。

当研究小组研究这种低成本的碳纤维时，他们发现它在风能行业最感兴趣的成本特性方面比目前的商用材料表现得更好。

ORNL提供了其碳纤维技术设施的碳纤维开发样品，以及由这种材料制成的复合材料以及由商用碳纤维制成的类似复合材料，以供比较。蒙大拿州立大学的同事们测量了新型碳纤维与市售碳纤维和标准玻璃纤维复合材料的力学性能。然后，研究人员将这些测量结果与ORNL的成本建模结果相结合。他在叶片设计分析中使用了这些数据，以评估使用新型碳纤维（而不是标准碳纤维或玻璃纤维）作为风叶片主要结构支撑的系统影响。

提高抗压强度可节省成本

研究人员发现，这种新型碳纤维材料每美元的抗压强度比商用碳纤维高出56%，这是行业基准。通常情况下，制造商通过使用更多的材料来制造组件来适应较低的抗压强度，这会增加成本。考虑到新型碳纤维的单位成本抗压强度更高，恩尼斯的计算预测，与商用碳纤维相比，新型碳纤维制成的翼梁帽（风力涡轮机叶片的主要结构部件）的材料成本可节省约40%。

与玻璃纤维相比，新型碳纤维甚至降低了陆上涡轮机设计的预计材料成本，这是由于其抗疲劳性能的提高。研究人员说，在叶片设计中使用这种新型碳纤维的其他结果，如重量减轻和疲劳寿命延长，可能会影响整个涡轮的设计，从而带来额外的成本和性能效益。

研究人员说：“虽然目前市场上尚不存在适合风力发电行业的最佳碳纤维，但这种新型纺织碳纤维的性能特点对于风力涡轮机所承受的特定负载具有更高的价值。”发展这种材料的商业化可以使碳纤维材料的好处更广泛地被风能产业所实现，并降低风能的总体成本。”