作者介紹：周宏，男，1963年生，教授級高級工程師，長期致力于對位芳綸基單兵作戰(zhàn)防護(hù)裝備技術(shù)研究工作，以及國產(chǎn)高性能纖維技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究。

本文節(jié)選自微信公眾號(hào)“新材料視界”（ID：gh_fb05b2fafba6） 文章《碳纖維的十六個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域及近期技術(shù)進(jìn)展》。

CFRP作為風(fēng)電葉片的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)能是最具成本優(yōu)勢的可再生能源，風(fēng)能發(fā)電在近10年來已取得飛速發(fā)展。截至2016年5月，全球風(fēng)電裝機(jī)容量已近4 270億MW（表1）。并據(jù)預(yù)測，2020年前，新增風(fēng)電裝機(jī)能力將按25%的年增長率遞增；到2020年，風(fēng)力發(fā)電量將占世界總發(fā)電量的11.81%。

為提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，增大單機(jī)容量和減輕單位千瓦質(zhì)量是關(guān)鍵。20世紀(jì)90年代初期，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量僅為500 kW，而如今，單機(jī)容量10 MW的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都已產(chǎn)品化。風(fēng)電葉片是風(fēng)電機(jī)組中有效捕獲風(fēng)能的關(guān)鍵部件，葉片長度 隨風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的提高而不斷增長。根據(jù)頂旋理論，為獲得更大的發(fā)電能力，風(fēng)力發(fā)電機(jī)需安裝更大的葉片。1990年，葉輪直徑（Rotor Diameter）為25 m；2010年，葉輪直徑已達(dá)120 m。2011年，Kaj Lindvig預(yù)測海上風(fēng)機(jī)的葉輪直徑2015年將達(dá)135 m，2020年將達(dá)到160 m。但這一預(yù)測很快就被突破，美國超導(dǎo)公司（AmericanSuperconductor Corp.）2016年已投入市場銷售的10 MW海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉輪直徑就已達(dá)190 m。但因葉片長度的問題，業(yè)界就是否需發(fā)展10 MW及以上能力的風(fēng)力發(fā)電機(jī)存有爭議，但主流觀點(diǎn)是需要發(fā)展的。西門子風(fēng)電（Siemens Wind Power）公司首席技術(shù)官認(rèn)為：面積與體積的關(guān)系的科學(xué)定律將最終限制葉輪直徑的不斷增長，但目前還未達(dá)到極限，制造10 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)在技術(shù)上是可行的；且從運(yùn)營效益上看，降低每兆瓦時(shí)的運(yùn)營成本，必須提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的容量（圖17）。

圖17 葉片直徑的增長過程

葉輪直徑的增加對葉片的質(zhì)量及抗拉強(qiáng)力提出了更輕、更高的要求。CFRP是制造大型葉片的關(guān)鍵材料，其可彌補(bǔ)玻璃纖維復(fù)合材料（GFRP）的性能不足。但長期以來，出于成本因素，CFRP在葉片制造中只被用于琶?、叶浮⑷~尖和蒙皮等關(guān)鍵部位。近年，隨著碳纖維價(jià)格穩(wěn)中有降，加之葉片長度進(jìn)一步加長，CFRP的應(yīng)用部位增加，用量也有較大提升。2014年，中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司成功研制出國內(nèi)最長的6 MW風(fēng)機(jī)葉片，該葉片全長77.7 m、質(zhì)量28 t，其中主梁由5 t的國產(chǎn)CFRP制成。如采用GFRP設(shè)計(jì)，則該葉片質(zhì)量將約達(dá)36 t（圖18）。

圖18 6 MW風(fēng)機(jī)葉片加工與試驗(yàn)現(xiàn)場（中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司研制）

原標(biāo)題:碳纖維的十六個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域及近期技術(shù)進(jìn)展