碳纤维在投资回报方程式中占据一席之地
随着叶片长度的不断增加以捕获更多的风能，对梁帽进行碳纤维增强已成为一种有效减少叶片长度向整体重量的方式，并可以增加叶片刚度，以防止突然狂风冲垮塔架。
来源: Epsilon Composite
翼梁上运用拉挤成型可使预浸料达到最佳状态
Epsilon复合材料公司（法国Gaillen en Medoc）建造了一条高精准的、纤维布置的、最先进的拉挤生产线，旨在最大限度地提高碳纤维环氧树脂层合板的体积纤维含量和抗压性能。这种300毫米宽，3毫米厚的3毫米厚的该公司注册商标为Carboglulam层压卷材在2017年JEC展会上亮相，据报道，它的的抗压强度明显高于广泛使用的碳纤维预浸料制成的层合材料。
Source: Epsilon Composite
拉挤成型技术赢得一席之地
Zoltek公司（美国密苏里州，圣路易斯）拉挤成型碳纤维板的工艺开始于将PX 35碳纤维束从碳纤维纱架输送到拉挤模具中，其中形成的纤维注入热固性树脂 - 乙烯基酯，环氧树脂和聚氨酯都是候选材料，具体取决于涡轮叶片生产商客户。
Source: Zoltek Corp.
厚度和宽度范围
Zoltek的拉挤板，厚度为3-6毫米，宽度从75毫米到300毫米不等。 生产出的板材的孔隙率小于1％，还可以指定纤维体积含量为58-70%。
Source: Zoltek Corp.
可控制变量的预加工
在将材料堆叠在梁帽模具之前，撕掉一层（拉挤过程中使用的）脱模纸，使其产生干净的活化表面，为其增强浸渍和层压。 与织物或预浸料不同，在最终灌注之前，拉挤板的特性是固定的，这一特性为风力叶片制造商提供了一个可以应对的变量。
Source: Zoltek Corp.
拉挤成型碳纤维增强梁帽大约五年前投放市场，作为风力涡轮机转子叶片的增强构件，是全球风能产业发展和技术成熟度不断提高的副产品。二十多年前，当第一个大规模的商业风力发电场上线时，风力发电场由带有玻璃纤维增强叶片的、额定功率为1兆瓦（MW）或以下的涡轮机组成，叶片长度一般为10至15米（m）。
从工程和发电机的角度来看，使用更长的叶片和更大的涡轮机的理由很简单。根据贝兹定律（Betz’slaw），涡轮机从动能风能中提取的功率输出与风立方和由涡轮机叶片扫过的有效面积的乘积成比例—π(r/2)，其中r是转子直径），最大可实现59.3％的转换效率。通常来说，叶片越长，因此，效率也越高。也就是说，TPIComposites/TPI复合材料公司(美国亚利桑那州，斯科茨代尔)的总裁Steve Nolet补充到，BEM（叶片元素动量）理论还根据其控制性能（即叶尖速比）或进气流速与转子叶片叶尖速度的比率假定次要贡献。
ZoltekCorp./卓尔泰克（美国密苏里州，圣路易斯）碳纤维执行副总裁PhilipSchell表示，随着叶片的变长，挠度和刚度特性在涡轮叶片设计和性能中变得愈加重要。“梁帽需要能够处理一定的预测水平下的拉伸和压缩载荷，”Schell说，指出除了碳纤维的体积比玻璃轻约30％以外，碳纤维的抗拉强度大约是玻璃抗拉强度的三倍，而抗压强度则是玻璃的1.5倍—根据所比较的碳纤维和玻璃纤维的类型数据可能略有出入。TPI的Nolet说，虽然减轻了重量，但压应变的改善和轴向疲劳的减少确实有助于延长叶片的使用寿命。碳纤维复合材料梁帽的使用主要是由于需要“限制这些超大尺寸的迎风转子的挠度，必须避免运行期间和随机风及不确定载荷环境下的塔架撞击”。
用于翼梁的拉挤板
Zoltek，自2014年以来成为TorayCarbon Fiber/东丽碳纤维（日本，东京）旗下全资子公司，每年向风能市场供应超过12,000吨碳纤维材料，并且今年在墨西哥瓜达拉哈拉的工厂增加新产能 – 一定程度上是为了满足风能市场对新项目的需求。其产品系列包括PX35 碳丝和PX 35单向织物，还包括PX35预浸料，但对于本次讨论来说最重要的是PX35拉挤板。
根据Schell的说法，Zoltek大约四年前在其某位顾客的要求下进入了拉挤成型市场。据Schell称，现今它已成为世界上最大的碳纤维增强拉挤板生产商之一。
“他们现在对拉挤成型碳纤维梁帽产生了很大的兴趣，”Schell报告指出，Zoltek与许多世界上大型的风机制造商合作开发项目。“碳纤维梁帽吸引人的一个方面是，它开启了设计不仅更轻，且更薄，具有改善的空气动力学性能的叶片的大门”他说。材料的这一特性在经过充分优化后，意味着随着时间的推移，材料成本的增加可以被更大的年发电量（AEP）和平准化电力成本（LCOE）所抵消。
Zoltek公司在美国的制造工厂及匈牙利和日本的工厂设备生产拉伸板。该工艺过程需要将PX35碳纤维丝束喂入拉挤模具中，并且通常灌注热固性树脂（(vinylester乙烯基酯，epoxy环氧树脂或polyurethane聚氨酯），以生产厚度为3-6mm，宽度为75-300mm的板。单向层合板具有低空隙率（<1％），密度约为1.55g/ cc，并且可指定体积纤维含量为58%～70%。在加工过程中可将脱模纸应用到板的两侧，并在堆叠在梁帽工具内之前将其撕掉，从而为灌注和层合提供干净的活化表面。与灌注前的织物或预浸料不同，该板的性能已经固定，就是这一特性吸引了叶片设计师、认证机构和制造商，因为它消除了在最后阶段的性能的大部分潜在变化。
最大化抗压性能
最后一点是最举足轻重的，因为由单向材料制成的部件的机械性能是纤维主导的 — 也就是说，当它们在抗拉方向和抗压方向上加载时，就像它们在旋转涡轮叶片中一样，纤维的数量和类型决定了性能（与树脂主导的多轴层压材料则相反）。对于碳纤维来说，拉伸性能要高于抗压性能，这意味着从设计的角度出发，抗压强度是梁帽结构中的限制性能。在碳纤维或玻璃纤维结构方面，任何可以在纯净材料特性下实现的抗压强度的提高，都为工程师提供了更大的设计灵活性。
在单向纤维带中，层合板缺陷（如孔隙或未对齐的纤维）对机械性能具有夸张的、有害的影响，并且甚至可进一步降低碳纤维在玻璃纤维上的抗压强度的适度优势。EpsilonComposite（Gaillen en Medoc，法国）的商业总监RomainCoullette说，采用拉挤成型制造梁帽层合板是合理的，因为拉挤成型可以说是最稳定、可重复和具有成本竞争力的复合材料生产工艺之一。
“2013年，Epsilon推出了其注册商标为Carboglulam的拉挤成型工艺，生产用于制造梁帽的可堆叠碳纤维层合板。自那时起，该公司推出了“下一代”版本的复合材料，其抗压性能得到了改善，以结构涡轮机应用中常用的织物和预浸料为基准—针对预计在长时间、高速风力条件下运行的涡轮机的梁帽。
与最初的版本相比，最新的配方具有高达70％的体积纤维含量，其中纤维含量约为60％。
Epsilon还设计了一种拉挤系统，可独立控制和对准每根光纤，以确保0°轴上的纤维取向准确，从而消除潜在的微小弯曲。最后，把具有改善的纤维/树脂附着力和更高的层间剪切强度（>75MPa）的纤维注入增韧环氧树脂体系（与第一种配方中的乙烯基酯相反）。Coullette说，层压板的另一个优点是，它也可以生产成各种宽度和厚度的卷材，两侧都有脱模纸，这是一种改进的模量（168GPa），有助于设计更薄的梁帽，特别是在翼缘区域。反过来，这又可以允许减小整个叶片的厚度。
Coullette说Epsilon正在与客户进行多项测试和开发项目的合作，客户目前使用玻璃或碳纤维预浸料来生产风机涡轮梁帽，正在评估拉挤成型碳纤维层合板的性能和成本特性，作为潜在的替代材料。据Coullette介绍，Epsilon的拉挤成型生产设备年生产能力达1,500吨。
Schell估计，全球约有25％的风力涡轮机现正在用碳纤维梁帽制造。尽管这个数字趋于上升，但它也强调了大多数涡轮机仍完全由玻璃纤维复合材料构成。就涡轮尺寸而言，是否存在一个切点，在哪些工程重要性上碳纤维将比玻璃纤维更受青睐？“大型玻璃纤维梁帽可以通过添加更多材料来实现所需的机械性能而构建，”他观察到，“但是就某种程度而言，它的重量随之增大，这样来看使用碳更合理。”
Schell引用桑迪亚国家实验室（美国新墨西哥州，阿尔伯克基）2012年的一项研究，将一个为13.2MW涡轮设计的100m全玻璃增强型“基准”涡轮叶片的成本和性能与一个相同的、由单向碳纤维层合板代替而制成的梁帽相比较。该分析预测，碳纤维梁与全玻璃型相比，可节省28％的质量（31,861千克）。减轻重量的原因是大型叶片的设计是由疲劳寿命和面板抗弯性能驱动的。降低质量不仅减少了叶片上的重力负荷 - 从而提高了其疲劳性能 - 但它也有助于设计比基准玻璃型式薄63％的梁帽，减少了织带和沿着叶片尾缘所需的加固。此外，还有上文提到的改善空气动力学性能的益处。
Schell说，如果考虑到所有成本/性能之间的平衡，就像桑迪亚那种类型的分析一样，在制造长度为55米或更长的涡轮叶片的梁帽时，用碳纤维代替玻璃纤维是完全可以实现的。
Schel认为，想要在实践中实现这一点，取决于能否在降低拉挤碳纤维层合板成本的同时提高性能，尤其是抗压强度和模量。
Nolet说：“不可能通过炒作而实现碳纤维在叶片上的应用，它必须推动较低的LCOE。”但他表示相信碳纤维可以并且会做到这一点，因为它是一个更大系统的一部分。“转子中的重量减轻可以降低空气动力和惯性负载，”他指出，还有一些经常被忽视的连锁效益。如果叶片重量能减轻，则叶片传动系统的尺寸以及重量和成本也可以降低。每个部件 - 输入轴，变速箱，变桨轴承 - 都可以降低成本，“最终减少塔架和基础质量，”他指出。“这些个减少能且很可能会以选择其他材料来抵消碳纤维的成本，”他主张。因此，它们将对经济和ROI（投资回报率）产生积极影响。更多资讯尽在青岛金源盛复合材料有限公司 https://www.hongyantu.com/index.php?r=store/index&id=1118
随着叶片长度的不断增加以捕获更多的风能，对梁帽进行碳纤维增强已成为一种有效减少叶片长度向整体重量的方式，并可以增加叶片刚度，以防止突然狂风冲垮塔架。
来源: Epsilon Composite
翼梁上运用拉挤成型可使预浸料达到最佳状态
Epsilon复合材料公司（法国Gaillen en Medoc）建造了一条高精准的、纤维布置的、最先进的拉挤生产线，旨在最大限度地提高碳纤维环氧树脂层合板的体积纤维含量和抗压性能。这种300毫米宽，3毫米厚的3毫米厚的该公司注册商标为Carboglulam层压卷材在2017年JEC展会上亮相，据报道，它的的抗压强度明显高于广泛使用的碳纤维预浸料制成的层合材料。
Source: Epsilon Composite
拉挤成型技术赢得一席之地
Zoltek公司（美国密苏里州，圣路易斯）拉挤成型碳纤维板的工艺开始于将PX 35碳纤维束从碳纤维纱架输送到拉挤模具中，其中形成的纤维注入热固性树脂 - 乙烯基酯，环氧树脂和聚氨酯都是候选材料，具体取决于涡轮叶片生产商客户。
Source: Zoltek Corp.
厚度和宽度范围
Zoltek的拉挤板，厚度为3-6毫米，宽度从75毫米到300毫米不等。 生产出的板材的孔隙率小于1％，还可以指定纤维体积含量为58-70%。
Source: Zoltek Corp.
可控制变量的预加工
在将材料堆叠在梁帽模具之前，撕掉一层（拉挤过程中使用的）脱模纸，使其产生干净的活化表面，为其增强浸渍和层压。 与织物或预浸料不同，在最终灌注之前，拉挤板的特性是固定的，这一特性为风力叶片制造商提供了一个可以应对的变量。
Source: Zoltek Corp.
拉挤成型碳纤维增强梁帽大约五年前投放市场，作为风力涡轮机转子叶片的增强构件，是全球风能产业发展和技术成熟度不断提高的副产品。二十多年前，当第一个大规模的商业风力发电场上线时，风力发电场由带有玻璃纤维增强叶片的、额定功率为1兆瓦（MW）或以下的涡轮机组成，叶片长度一般为10至15米（m）。
从工程和发电机的角度来看，使用更长的叶片和更大的涡轮机的理由很简单。根据贝兹定律（Betz’slaw），涡轮机从动能风能中提取的功率输出与风立方和由涡轮机叶片扫过的有效面积的乘积成比例—π(r/2)，其中r是转子直径），最大可实现59.3％的转换效率。通常来说，叶片越长，因此，效率也越高。也就是说，TPIComposites/TPI复合材料公司(美国亚利桑那州，斯科茨代尔)的总裁Steve Nolet补充到，BEM（叶片元素动量）理论还根据其控制性能（即叶尖速比）或进气流速与转子叶片叶尖速度的比率假定次要贡献。
ZoltekCorp./卓尔泰克（美国密苏里州，圣路易斯）碳纤维执行副总裁PhilipSchell表示，随着叶片的变长，挠度和刚度特性在涡轮叶片设计和性能中变得愈加重要。“梁帽需要能够处理一定的预测水平下的拉伸和压缩载荷，”Schell说，指出除了碳纤维的体积比玻璃轻约30％以外，碳纤维的抗拉强度大约是玻璃抗拉强度的三倍，而抗压强度则是玻璃的1.5倍—根据所比较的碳纤维和玻璃纤维的类型数据可能略有出入。TPI的Nolet说，虽然减轻了重量，但压应变的改善和轴向疲劳的减少确实有助于延长叶片的使用寿命。碳纤维复合材料梁帽的使用主要是由于需要“限制这些超大尺寸的迎风转子的挠度，必须避免运行期间和随机风及不确定载荷环境下的塔架撞击”。
用于翼梁的拉挤板
Zoltek，自2014年以来成为TorayCarbon Fiber/东丽碳纤维（日本，东京）旗下全资子公司，每年向风能市场供应超过12,000吨碳纤维材料，并且今年在墨西哥瓜达拉哈拉的工厂增加新产能 – 一定程度上是为了满足风能市场对新项目的需求。其产品系列包括PX35 碳丝和PX 35单向织物，还包括PX35预浸料，但对于本次讨论来说最重要的是PX35拉挤板。
根据Schell的说法，Zoltek大约四年前在其某位顾客的要求下进入了拉挤成型市场。据Schell称，现今它已成为世界上最大的碳纤维增强拉挤板生产商之一。
“他们现在对拉挤成型碳纤维梁帽产生了很大的兴趣，”Schell报告指出，Zoltek与许多世界上大型的风机制造商合作开发项目。“碳纤维梁帽吸引人的一个方面是，它开启了设计不仅更轻，且更薄，具有改善的空气动力学性能的叶片的大门”他说。材料的这一特性在经过充分优化后，意味着随着时间的推移，材料成本的增加可以被更大的年发电量（AEP）和平准化电力成本（LCOE）所抵消。
Zoltek公司在美国的制造工厂及匈牙利和日本的工厂设备生产拉伸板。该工艺过程需要将PX35碳纤维丝束喂入拉挤模具中，并且通常灌注热固性树脂（(vinylester乙烯基酯，epoxy环氧树脂或polyurethane聚氨酯），以生产厚度为3-6mm，宽度为75-300mm的板。单向层合板具有低空隙率（<1％），密度约为1.55g/ cc，并且可指定体积纤维含量为58%～70%。在加工过程中可将脱模纸应用到板的两侧，并在堆叠在梁帽工具内之前将其撕掉，从而为灌注和层合提供干净的活化表面。与灌注前的织物或预浸料不同，该板的性能已经固定，就是这一特性吸引了叶片设计师、认证机构和制造商，因为它消除了在最后阶段的性能的大部分潜在变化。
最大化抗压性能
最后一点是最举足轻重的，因为由单向材料制成的部件的机械性能是纤维主导的 — 也就是说，当它们在抗拉方向和抗压方向上加载时，就像它们在旋转涡轮叶片中一样，纤维的数量和类型决定了性能（与树脂主导的多轴层压材料则相反）。对于碳纤维来说，拉伸性能要高于抗压性能，这意味着从设计的角度出发，抗压强度是梁帽结构中的限制性能。在碳纤维或玻璃纤维结构方面，任何可以在纯净材料特性下实现的抗压强度的提高，都为工程师提供了更大的设计灵活性。
在单向纤维带中，层合板缺陷（如孔隙或未对齐的纤维）对机械性能具有夸张的、有害的影响，并且甚至可进一步降低碳纤维在玻璃纤维上的抗压强度的适度优势。EpsilonComposite（Gaillen en Medoc，法国）的商业总监RomainCoullette说，采用拉挤成型制造梁帽层合板是合理的，因为拉挤成型可以说是最稳定、可重复和具有成本竞争力的复合材料生产工艺之一。
“2013年，Epsilon推出了其注册商标为Carboglulam的拉挤成型工艺，生产用于制造梁帽的可堆叠碳纤维层合板。自那时起，该公司推出了“下一代”版本的复合材料，其抗压性能得到了改善，以结构涡轮机应用中常用的织物和预浸料为基准—针对预计在长时间、高速风力条件下运行的涡轮机的梁帽。
与最初的版本相比，最新的配方具有高达70％的体积纤维含量，其中纤维含量约为60％。
Epsilon还设计了一种拉挤系统，可独立控制和对准每根光纤，以确保0°轴上的纤维取向准确，从而消除潜在的微小弯曲。最后，把具有改善的纤维/树脂附着力和更高的层间剪切强度（>75MPa）的纤维注入增韧环氧树脂体系（与第一种配方中的乙烯基酯相反）。Coullette说，层压板的另一个优点是，它也可以生产成各种宽度和厚度的卷材，两侧都有脱模纸，这是一种改进的模量（168GPa），有助于设计更薄的梁帽，特别是在翼缘区域。反过来，这又可以允许减小整个叶片的厚度。
Coullette说Epsilon正在与客户进行多项测试和开发项目的合作，客户目前使用玻璃或碳纤维预浸料来生产风机涡轮梁帽，正在评估拉挤成型碳纤维层合板的性能和成本特性，作为潜在的替代材料。据Coullette介绍，Epsilon的拉挤成型生产设备年生产能力达1,500吨。
Schell估计，全球约有25％的风力涡轮机现正在用碳纤维梁帽制造。尽管这个数字趋于上升，但它也强调了大多数涡轮机仍完全由玻璃纤维复合材料构成。就涡轮尺寸而言，是否存在一个切点，在哪些工程重要性上碳纤维将比玻璃纤维更受青睐？“大型玻璃纤维梁帽可以通过添加更多材料来实现所需的机械性能而构建，”他观察到，“但是就某种程度而言，它的重量随之增大，这样来看使用碳更合理。”
Schell引用桑迪亚国家实验室（美国新墨西哥州，阿尔伯克基）2012年的一项研究，将一个为13.2MW涡轮设计的100m全玻璃增强型“基准”涡轮叶片的成本和性能与一个相同的、由单向碳纤维层合板代替而制成的梁帽相比较。该分析预测，碳纤维梁与全玻璃型相比，可节省28％的质量（31,861千克）。减轻重量的原因是大型叶片的设计是由疲劳寿命和面板抗弯性能驱动的。降低质量不仅减少了叶片上的重力负荷 - 从而提高了其疲劳性能 - 但它也有助于设计比基准玻璃型式薄63％的梁帽，减少了织带和沿着叶片尾缘所需的加固。此外，还有上文提到的改善空气动力学性能的益处。
Schell说，如果考虑到所有成本/性能之间的平衡，就像桑迪亚那种类型的分析一样，在制造长度为55米或更长的涡轮叶片的梁帽时，用碳纤维代替玻璃纤维是完全可以实现的。
Schel认为，想要在实践中实现这一点，取决于能否在降低拉挤碳纤维层合板成本的同时提高性能，尤其是抗压强度和模量。
Nolet说：“不可能通过炒作而实现碳纤维在叶片上的应用，它必须推动较低的LCOE。”但他表示相信碳纤维可以并且会做到这一点，因为它是一个更大系统的一部分。“转子中的重量减轻可以降低空气动力和惯性负载，”他指出，还有一些经常被忽视的连锁效益。如果叶片重量能减轻，则叶片传动系统的尺寸以及重量和成本也可以降低。每个部件 - 输入轴，变速箱，变桨轴承 - 都可以降低成本，“最终减少塔架和基础质量，”他指出。“这些个减少能且很可能会以选择其他材料来抵消碳纤维的成本，”他主张。因此，它们将对经济和ROI（投资回报率）产生积极影响。更多资讯尽在青岛金源盛复合材料有限公司 https://www.hongyantu.com/index.php?r=store/index&id=1118
