碳纖維復合材料在國外應用已經近60年的歷史，碳纖維復合材料在航空航天、汽車工業、風電葉片等領域的應用極大促進了產業升級，而在應用研究中，碳纖維復合材料從設計到應用經歷了漫長的過程，國外在由大量經費資助了碳纖維復合材料研究項目。

　　為了提升碳纖維復合材料的專業技術知識，本公眾號特此建立了復合材料技術報告專題，簡要介紹了國外各領域碳纖維復合材料技術開發，本文主要介紹了風力葉片設計中碳纖維復合材料優化設計。

　　此次技術報告《Optimized Carbon Fiber Compositesin Wind Turbine Blade Design》來源于美國桑迪亞實驗室，于2019年11月正式發布。該項研究的目的是評估開發具有成本競爭力的碳纖維復合材料的商業可行性，尤其是風力渦輪機葉片所經歷的獨特負載。

 

　　風能行業是一個成本驅動的市場，而碳纖維材料是為性能驅動的航空航天行業開發的。與玻璃纖維相比，碳纖維具有顯著提升的高剛度、高強度和單位質量的抗疲勞性，因此碳纖維在減少風機葉片質量方面具有眾所周知的優勢；然而，較高的相對成本阻礙了其在風電行業的廣泛采用。

　　據估計，陸上風力渦輪機的設計將使用更長的葉片，而海上風能市場將需要非常大的葉片來滿足大于10兆瓦的額定功率。盡管行業在葉片長度方面有所增長，但風輪機翼梁帽中碳纖維的使用預計不會大幅增加市場份額，如下圖所示，渦輪制造商在葉片設計中避免使用碳纖維的原因包括高價格、價格波動問題、制造敏感性和供應鏈限制等問題。

　
       從紡織工業中衍生出來的新型碳纖維材料被作為一種更適合風力工業的材料，并通過驗證的材料成本模型和機械試驗對其進行了表征。在具有代表性的陸基和海上參考風力渦輪機模型中，將新型大絲束紡織碳纖維與商用碳纖維和玻璃纖維材料進行了比較。

　　與風電工業中常用的商業碳纖維材料相比，使用這種新型大絲束碳纖維可以顯著降低成本，并在重要的機械性能（如模量和抗壓強度）方面具有相似的性能，從而降低了梁帽材料的成本設計?？箟簭姸扰c成本之間存在著復雜的關系，但對于大絲束碳纖維而言，拉壓比更為理想。與基準碳纖維材料相比，抗拉強度降低了-40%，但對于風力渦輪機葉片設計而言，這是更為優化的，以減少材料前驅體成本。

 

　　由于強度和剛度之間的關系，碳纖維使細長葉片設計更具成本效益。細長葉片設計的空氣動力學效率更高，除了利用較少的殼體材料外，還可獲得能量并減少推力載荷。細長的設計也可能會降低運輸成本，減少大型陸基旋翼的約束條件。碳纖維葉片設計具有較低的質量，從而為傳動系統和結構部件及軸承帶來系統成本效益。

 

　　與玻璃纖維設計相比，碳纖維設計具有更高的模態頻率，碳纖維翼梁帽材料的疲勞壽命預計至少是陸地和海上參考渦輪機玻璃纖維設計壽命的兩倍，從而延長設計壽命和/或提高材料的回收利用價值。

 

　　碳纖維翼梁帽在減少葉片質量和提高疲勞壽命方面具有一些優勢。當通過優化以滿足設計約束的梁帽的材料成本估算時，觀察到這種新型碳纖維甚至優于玻璃纖維。這項研究揭示了一條途徑，使風能行業能夠更廣泛地使用碳纖維，從而使更大的轉子能夠以更低的成本捕獲更多的能量。