1、风电叶片结构特点及国内外应用情况
随着世界能源危机的日益严重，以及公众对于改善生态环境要求的呼声日益高涨，风能作为一种清洁的可再生能源日益受到各国政府的重视。目前，全世界约有50 个国家颁布了支持可再生能源发展的相关法律法规，对风电发展起到了至关重要的作用，风力发电产业正逐步发展成为初具规模的新兴产业。目前，各国正加快对风力发电机组的研究步伐，不断推出新的技术装备1。
1.1风电叶片夹层结构的特点与性能要求
风力发电机组是由叶片、传动系统、发电机、储能设备、塔架及电器系统等组成的发电装置,如图1。要获得较大的风力发电功率，其关键在于要具有能轻快旋转的叶片。所以，风力发电机叶片技术是风力发电机组的核心技术。
风力发电机的风轮叶片是接受风能的主要部件。叶片的设计除了要求有高效的接受风能的翼型，合理的安装角，科学的升阻比、尖速比和叶片扭角外，叶片系列的参数见表1。由于叶片直接迎风获得风能，所以还要求叶片具有合理的结构、优质的材料和先进的工艺以使叶片可靠的承担风力、叶片自重、离心力等给予叶片的各种弯矩、拉力，而且还要要求叶片质量轻、结构强度高、抗疲劳强度高、运行安全可靠、易于安装、维修方便、制造容易、制造成本和使用成本低。另外叶片表面要光滑以减少叶片转动时与空气的摩擦阻力。因此叶片技术成为制约风力发电大力发展的瓶颈。纺织复合材料在比强度、比刚度方面具有金属材料无可比拟的优越性，加之他们耐疲劳、结构稳定、抗腐蚀、耐高温等优异性能。因此，复合材料成为目前大型风力发电叶片的首选材料。风力发电叶片用的材料根据叶片长度不同而选用不同的复合材料，目前最普遍采用的是玻璃纤维增强聚酯树脂、玻璃纤维增强环氧树脂，并局部采用玻纤或碳纤增强环氧树脂作为主承力结构。总体而言，对同风轮直径叶片采用玻璃纤维增强聚酯树脂作为叶片用复合材料比采用玻璃纤维增强环氧树脂作为叶片材料时，叶片要重不少。而同型号同材料叶片，因控制方式(失速控制与变桨控制)的不同，重量也不一样。
1
图1 风力发电机组及其零部件2
表1 叶片系列参数
2
1.2复合材料在风电叶片结构中的应用实例
1.2.1使用可回收再利用热塑性塑料的风涡轮叶片
世界上第一个大规模风力设施使用可回收再利用热塑性塑料的风涡轮叶片已经实行了。爱尔兰 Gaoth Tec Teo公司与日本长崎的三菱重工业和与英国Cyclics Corp签署了合作协议来发展风叶片，将透过Cyclics公司的CBT树脂和玻璃纤维补强材料来研发出产品3。根据Cyclics公司的报道，已可生产出可再回收利用的风叶片，材料平均同收达19t，这是在产业界史无前例的数据。Cyclics公司认为这项新发展将强调对环保有效益、将持续获得可用的风能并且将改进工作场所的安全性。使用Cyclics公司树脂的涡轮叶片对于目前的制程方式有重大改善， 包括减低系统负荷、制程更快速和更安全、增加的叶片性能和可再回收利用；在初期阶段的项目中将利用Gaoth技术制造业设计制造一系列的12.6 m 风涡轮叶片4。这也体现了热塑性树脂的综合风涡轮叶片在全球风涡轮市场的潜力正迅速增长,对节省成本与环保有极大的效益。
1.2.2 碳纳米管增强聚氨酯风电叶片的研制
为了扩大风力发电规模，更有效地利用风电资源，美国科学家首次制造出了碳纳米管增强聚氨酯风电叶片。与传统材料如玻璃纤维增强环氧树脂复合材料(GFEP)等相比，碳纳米管增强聚氨酯复合材料重量轻、强度大、耐久性好，可提高涡轮风机的效率，有望成为制造下一代风力发电机叶片的理想材料。
测试表明，该碳纳米管增强聚氨酯复合材料单位体积的重量轻于碳纤维增强复合材料和铝，而其抗张强度是碳纤维增强复合材料的5倍、铝的60倍。用其制造的风电叶片的寿命比用GFEP制造的风电叶片长8倍，断裂韧性也优于GFEP风电叶片。
这种新型复合材料风电叶片将首先安装在1台400瓦的涡轮风机上进行测试。科学家还将对碳纳米管的分散性进行改进，以提高复合材料的性能。
3
1.3 复合材料风电叶片待解决的问题及发展趋势
风电技术发展的一个重要标志是单机容量的增加。在欧洲,尤其是德国、丹麦、西班牙,自1997年以来,风力机组的平均单机容量已经增加了一倍多。其次是减少风场对陆上景观的影响。为适应海上风电的需求,制造商已制造出单机容量为2～5MW的风力机组,与其配套的复合材料叶片长40～60m。在未来10 年,还有可能出现大于5MW机组用的更长的叶片。叶片长度增加势必增加叶片的重量。对10～60m长度的叶片进行了统计研究,发现叶片重量按长度的三次方增加,如图 2所示。
图2 叶片重量与叶片长度的关系
叶片重量对运行、疲劳寿命、能量输出有重要的影响。由于叶片运行,重力产生交变荷载,使叶片本身及机组产生疲劳。叶片减重可相应减少轮毂、机舱、塔架等结构的重量。对于大型叶片,刚度成为主要问题。为了保证在极端风载下叶尖不碰塔架,叶片必须具有足够的刚度。减轻叶片的重量,又要满足强度与刚度要求,有效的办法是采用碳纤维增强。碳纤维复合材料的弹性模量是GRP的2～3倍。大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。
用真空灌注工艺生产碳纤维复合材料存在困难。碳纤维比玻纤更细,表面更大,更难有效浸渍,适用的树脂粘度更低5。今后大型风力机复合材料叶片对碳纤维的需求将是很大的。但推广应用碳纤维必须先解决技术和成本问题。大丝束碳纤维的应用技术研究、真空灌注工艺用树脂体系的配套研究和碳/玻混杂复合材料的研究还有待进一步深入。
4
2、复合材料原材料选择
复合材料风机叶片是风力发电系统的关键动部件，直接影响着整个系统的性能，并要具有长期在户外自然环境条件下使用的耐候性和合理的价格。（如图3 为艾飞盛300w风力发电机叶片的实物）因此，叶片材料的选择，设计和制造质量水平十分重要，被视为风力发电系统的关键技术和技术水平代表。
2.1风机叶片材料的发展
风机叶片材料的强度和刚度是决定风力发电机组性能优劣的关键。（图4为风电发电系统图）目前，风机叶片所用材料已由木质、帆布等发展为金属（铝合金）、玻璃纤维增强复合材料（玻璃钢）、碳纤维增强复合材料等，其中新型玻璃钢叶片材料因为其重量轻、比强度高、可设计性强、价格比较便宜等因素，开始成为大中型风机叶片材料的主流。然而，随着风机叶片朝着超大型化和轻量化的方向发展，玻璃钢复合材料也开始达到了其使用性能的极限，碳纤维复合材料（CFRP）逐渐应用到超大型风机叶片中。
具体而言，由于应用场合的不同，风机叶片材料的选择也会有所不同。一般较小型的叶片（如22 m以下）选用量大价廉的E-玻纤增强塑料（GFRP），树脂基体以不饱和聚酯为主，也可选用乙烯酯或环氧树脂；而较大型的叶片（如42 m以上）一般采用CFRP或CF与GF混杂的复合材料，树脂基体以环氧树脂为主。为满足风机叶片的使用要求，目前玻璃纤维也在发生技术革新。
与热固性复合材料相比，热塑性复合材料具有质量轻、抗冲击性能好、生产周期短等一系列优异性能。在相同的尺寸条件下，热塑性复合材料由于密度低，叶片的质量更轻，随之带来安装塔座和发电机质量的减小。但是，该类复合材料的制造工艺技术与传统的热固性复合材料成型工艺差异较大，制造成本较高，成为限制热塑性复合材料用于风力发电叶片的关键问题之一。
5