风电叶片用碳纤维复合材料优化设计

2016年10月-2019年4月，美国能源部桑地亚国家实验室的能量效率与可再生能源办公室（DOE, Sandia National Laboratory，简写SNL， Office of Energy Efficiency and Renewable Energy）承担了风电叶片用碳纤维复合材料优化设计项目。

项目主要目的在于评估具有成本竞争力的风电叶片用碳纤维复合材的商业化可行性，项目主要针对美国能源部橡树岭国家实验室（DOE Oak Ridge National Laboratory， 简写ORNL）研发的纺织品级低成本碳纤维与商业化的Zoltek卓尔泰克PX35碳纤维综合性能和成本对比。

关于Zoltek PX35碳纤维可以参见本公众号前期文章《一文解析日本东丽-Zoltek公司PANEX35碳纤维的特性及应用》。项目最后通过碳纤维复合材料风电叶片结构的优化设计评估了实际应用的可行性。任务承担单位除了SNL、ORNL以外，还有蒙大拿州立大学Montana state university（MSU）。本文将对该项目主要进展进行综述分析。

 背景介绍

对于碳纤维复合材料而言，风电叶片领域与航空航天领域存在显著差异，因为航空航天用碳纤维复合材料主要受性能驱动，而对于风电叶片领域，更加关注的是原材料的成本。

对于风电叶片生产商而言，往往是基于市场商品化原材料来开展结构设计，尤其是对于具有成本优势的大丝束碳纤维。

本项目使用低成本碳纤维为ORNL低成本研发中心生产的纺织品级碳纤维，同时利用MSU大学检测条件针对力学性能进行分析，最后由SNL进行风电叶片优化设计（图1）。

图1 项目主要分工内容

 主要研究进展

对于50k规格大丝束低成本碳纤维（图2），其总价为$18.11/kg，其中占成本最高为原材料，占比45%。通过采用纺织品级PAN纤维作为前驱体，以及实现规模化生产后获得LCCF成本可下降到$11.19/kg.

图2 大丝束低成本成本组成及分析

进一步通过控制纤维丝束之间间距，有效降低预氧化过程时间，大丝束碳纤维成本可进一步下降到$7.82/kg。

使用ORNL开发大丝束低成本碳纤维与已商业化Zoltek PX35复合材料性能对比如下表所示。

表1 碳纤维复合材料力学性能对比

进一步通过在风电叶片设计中针对原材料性能进行优化，针对成本而言ORNL研发碳纤维成本可以控制在$8.38-11.01/kg，而商品化产品为$16.44/kg。

经过测试表明，材料综合性能相差不明显，如在拉伸强度上ORNL开发碳纤维略高于商品化碳纤维。

图3 风电叶片结构优化设计

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