隨著世界石油資源的日益匱乏，風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源而逐漸被人們重視。開發(fā)和利用風(fēng)能資源不僅可以為21世紀(jì)尋找新的替代能源，而且有利于環(huán)境保護。  
　　我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展到現(xiàn)在經(jīng)歷了一個由小到大、由慢到快的過程。從20世紀(jì)70年代研制成功1KW小型風(fēng)力發(fā)電機組樣機，到1998年的國家“乘風(fēng)計劃”揭開了大型風(fēng)電機組國產(chǎn)化的序幕；從1986年我國第一個風(fēng)電場在山東榮成并網(wǎng)發(fā)電，到2006年底建成了91個風(fēng)電場；從1999年著批國產(chǎn)化600KW風(fēng)電機組在達(dá)坂城風(fēng)電一場投入運行，到2005年研發(fā)MW級國產(chǎn)化風(fēng)電機組樣機；從2004年總裝機容量76.4萬KW到2006年底總裝機量258.9KW，由此不難看出，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在這20多年中逐漸發(fā)展、前進、壯大。  
　　近年來，風(fēng)電機組技術(shù)改進的主要方向是降低制造成本、提高單機容量、提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率、實現(xiàn)自動控制等。目前主流風(fēng)電機組的單機容量為1.5~2.0MW,容量越大，發(fā)電效率越高，技術(shù)難度越大。而國外正在開發(fā)、應(yīng)用的機組單機容量為3~5MW。美國NREL（國家可再生能源實驗室）2004年的報告認(rèn)為在2012年之前，價格上有競爭力的風(fēng)機產(chǎn)品，陸地為2~5MW，海上風(fēng)電場（近海）為5MW以上。2003年德國Eneroon公司安裝了第一臺4.5MW的風(fēng)電機組樣機。  
　　風(fēng)力發(fā)電機葉片是接受風(fēng)能的最主要部件，也是風(fēng)力發(fā)電機中最基礎(chǔ)和最關(guān)鍵的部件。其良好的設(shè)計、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證機組正常穩(wěn)定運行的決定因素。纖維增強塑料（FRP）以其輕質(zhì)、耐腐蝕和高拉伸彈性模量一直是風(fēng)力發(fā)電機葉片最常用的材料，是復(fù)合材料成功應(yīng)用的典型大型構(gòu)件。  
　　1  制造風(fēng)機葉片的主要材料  
　　葉片是風(fēng)力發(fā)電機組的重要構(gòu)件。它將風(fēng)能傳遞給發(fā)電機的轉(zhuǎn)子，使之旋轉(zhuǎn)切割磁力線而發(fā)電。為確保在野外極其惡劣環(huán)境中長期不停、安全地運行，對葉片材料的要求是：①密度小且具有最佳的疲勞強度和力學(xué)性能，能經(jīng)受住極端惡劣條件和隨機的負(fù)荷（如暴風(fēng)等）的考驗，確保安全運轉(zhuǎn)20年以上；②成本（精確說為分?jǐn)偟矫慷入姷某杀荆┑停虎廴~片的彈性、旋轉(zhuǎn)時的慣性及其振動頻率特性曲紅都正常，傳遞給整個發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)荷穩(wěn)定性好；④耐腐蝕、耐紫外線（UV）照射和抗雷擊性好；⑤維護費用低。  
　　FRP完全可以滿足以上要求，是最佳的風(fēng)力發(fā)電機葉片材料。  
　　1.1  GFRP  
　　目前商品化的大型風(fēng)機葉片大多采用玻璃纖維增強塑料（GFRP）制造。GFRP葉片的特點為：  
　?、倏筛鶕?jù)風(fēng)機葉片的受力特點來設(shè)計強度與剛度  風(fēng)機葉片主要是縱向受力，即氣動彎曲和離心力，氣動彎曲載荷比離心力大得多，由剪切與扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪應(yīng)力不大。利用玻璃纖維（GF）受力為主的受力理論，可將主要GF布置在葉片的縱向，這樣就可使葉片輕量化。  
　?、谝硇腿菀壮尚?，可達(dá)到最大氣動效率  為了達(dá)到最佳氣動效果，利用葉片復(fù)雜的氣動外形，在風(fēng)輪的不同半徑處設(shè)計不同的葉片弦長、厚度、扭角和翼型，如用金屬制造則十分困難。同時GFRP葉片可實現(xiàn)批量生產(chǎn)。  
　?、凼褂脮r間長達(dá)20年，能經(jīng)受108以上疲勞交變載荷GFRP疲勞強度較高，缺口敏感性低，內(nèi)阻尼大，抗震性能較好。  
　?、苣透g性好  由于GFRP具有耐酸、堿、水汽的性能，可將風(fēng)機安裝在戶外，特別對于近年來大力發(fā)展的離岸風(fēng)電場來說，能將風(fēng)機安裝在海上，使風(fēng)力機組及其葉片經(jīng)受各種氣候環(huán)境的考驗。  
　　為了提高GFRP的性能，還可通過表面處理，上漿和涂覆等對GF進行改性。美國的研究表明，采用射電頻率等離子體沉積去涂覆E-GF，其拉伸及耐疲勞性可達(dá)到碳纖維（CF）的水平。  
　　 GFRP的受力特點是在GF方向能承受很高的拉應(yīng)力，而其它方向承受的力相對較小。 
圖1是典型葉片的截面圖。葉片由蒙皮和主梁組成，蒙皮采用夾芯結(jié)構(gòu)，中間層是硬質(zhì)泡沫塑料或Balsa木，上下面層為GFRP。面層由單向?qū)雍?plusmn;45°層組成。單向?qū)涌蛇x用單向織物或單向GF鋪設(shè)，一般用7或4GF布，以承受由離心力和氣動彎矩產(chǎn)生的軸向應(yīng)力；為簡化成型工藝，可不用±45°GF布層，而采用1:1GF布，均沿軸向鋪設(shè)，以承受主要由扭矩產(chǎn)生的剪切應(yīng)力，一般鋪放在單向?qū)油鈧?cè)。梁的結(jié)構(gòu)形式既可以是夾芯結(jié)構(gòu)，也可以是實心GFRP結(jié)構(gòu)。但是，在蒙皮與主梁的結(jié)合部位即梁帽處必須是實心GFRP結(jié)構(gòu)。這是因為此部分梁與蒙皮相互作用，應(yīng)力較大，必須保證蒙皮的強度和剛度。
　　1.2  CFRP 
　　隨著風(fēng)機葉片設(shè)計技術(shù)的提高，風(fēng)力發(fā)電向大功率、長葉片的方向發(fā)展。葉片長度增加勢必增加葉片的質(zhì)量。經(jīng)對長度10~60m的葉片進行的統(tǒng)計表明，葉片質(zhì)量按長度的三次方增加。葉片輕量化對運行、疲勞壽命、能量輸出有重要的影響。由于葉片運行時其重力產(chǎn)生交變載荷，使葉片本身及機組產(chǎn)生疲勞。葉片減重可相應(yīng)減少輪轂、機艙、塔架等結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。 
　　對于大型葉片，剛度成為主要問題。為了保證在極端風(fēng)載下葉尖不碰塔架，葉片必須具有足夠的剛度。既要減輕葉片的質(zhì)量，又要滿足強度與剛度要求，有效的辦法是采用碳纖維增強塑料（CFRP）。CFRP的拉伸性模量是GFRP的2~3倍。大型葉片采用CF增強可充分發(fā)揮其高彈輕質(zhì)的優(yōu)點。據(jù)分析，采用CF/GFRP混雜增強的方案，葉片可減重20%~40%。據(jù)歐洲EC公司資助的研究計劃中介紹，在￠120m葉片轉(zhuǎn)子中添加CF能有效減輕總體質(zhì)量達(dá)38%，另外亦可使其設(shè)計成本費用比GF減少14%。另外一個類似的研究分析也指出，添加CF制得的風(fēng)機葉片質(zhì)量會比GF減輕約32%。  
　　目前世界上最大的CF/GFRP混雜風(fēng)機葉片是Nodex公司為海上風(fēng)電5MW機組配套研制的長度56m的葉片。Nodex公司還開發(fā)了43m（9.6t）的CF/GFRP風(fēng)機葉片，可用于陸上2.5MW機組。Enercon公司開發(fā)了供4.5MW風(fēng)力機組使用的CFRP葉片。對于大型葉片是否需用CF增強，目前尚有爭議。一些人認(rèn)為，在風(fēng)能產(chǎn)業(yè)中引入CF工藝是“奇特”和昂貴的，如果可能應(yīng)盡量避免。然而許多結(jié)構(gòu)方面的工程師確信，自然的規(guī)模法則顯示，當(dāng)葉片長度增加時，質(zhì)量的增加要快于能量的提取。因此采用CF或CF/GF混雜纖維對抑制質(zhì)量的增大是必要的。同時為了降低風(fēng)能的成本，發(fā)展具有足夠剛性的更長葉片也是必要的。  
　　能否在風(fēng)機葉片上大量采用CFRP取決于CF的價格。CFRP的性能雖然遠(yuǎn)優(yōu)于GFRP，且不論葉片還是整個風(fēng)力發(fā)電機組毫玩疑問都是最輕量的，但價格也是最貴的。即使CF價格降到11美元/Kg，用CFRP制備葉片的價格還是過高。因此現(xiàn)在正從原材料、工藝技術(shù)、質(zhì)量控制等方面深入研究，以求降低CFRP的成本。  
　　一般較小型的葉片（如長22m）選用量大價廉的E-GFRP，樹脂基體以不飽和聚酯為主，也可選用乙烯基酯樹脂或環(huán)氧樹脂。而較大型的葉片（如長42m以上）一般采用CFRP或CF/GFRP，樹脂基體以環(huán)氧樹脂為主。  
　　2  FRP葉片制造工藝  
　　傳統(tǒng)FRP風(fēng)力發(fā)電機葉片多采用了、手糊工藝制造。手糊工藝生產(chǎn)風(fēng)機葉片的主要缺點是產(chǎn)品質(zhì)量完全依賴于工人的操作熟練程度及環(huán)境條件，生產(chǎn)效率低且產(chǎn)品質(zhì)量波動較大，產(chǎn)品的動靜平衡保證性差，廢品率高。葉片在使用過程中由于手糊工藝過程中的含膠量不均勻、纖維與樹脂的浸潤性不良或固化不完全而是出現(xiàn)裂紋、斷裂和變形等問題。此外，手糊工藝過程伴有大量有害物質(zhì)和溶劑的釋放，存在環(huán)境污染問題。  
　　目前已開發(fā)出多種較先進的工藝，如預(yù)浸料工藝、機械浸漬工藝、樹脂傳遞模塑（RTM）工藝及真空輔助灌注工藝。  
　　RTM工藝是首先在模具型腔中鋪放好按性能和結(jié)構(gòu)要求設(shè)計的增強材料預(yù)成型體，采用注射設(shè)備將專用低粘度樹脂體系注入閉合式型腔，由排氣系統(tǒng)保證樹脂流動順暢，排出型腔內(nèi)的全部氣體和徹底浸潤纖維，由模具的加熱系統(tǒng)使樹脂等加熱固化而成型為FRP構(gòu)件。RTM工藝適宜于中小尺寸風(fēng)機葉片的中等批量生產(chǎn)（5000~30000片/年）。RTM工藝屬于半機械化的FRP成型工藝，特別適宜于一次整體成型的風(fēng)力發(fā)電機葉片，無需二次粘接。與手糊工藝相比，這種工藝具有節(jié)約各種工裝設(shè)備、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點。同時由于采用低粘度樹脂浸潤纖維以及加溫固化工藝，復(fù)合材料質(zhì)量高，且RTM工藝生產(chǎn)較小依賴工人的技術(shù)水平，工藝質(zhì)量僅僅依賴于預(yù)先確定好的工藝參數(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量易于保證，廢品率低。RTM工藝的技術(shù)含量高，無論是模具設(shè)計和制造、增強材料的設(shè)計和鋪放、樹脂類型的選擇與改性、工藝參數(shù)（如注塑壓力、溫度、樹脂粘度等）的確定與實施，都需要在產(chǎn)品生產(chǎn)之前通過計算機模擬分析和實驗驗證來確定。模擬仿真作為RTM工藝的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展迅速。等溫和非等溫條件下一維、二維、三維的模擬仿真模型已經(jīng)問世。采用RTM工藝自主開發(fā)的軟件系統(tǒng)，成功地實現(xiàn)了RTM工藝中樹脂流動充模過程的模擬仿真。  
　　真空輔助灌注成型工藝是近幾年發(fā)展起來的一種改進的RTM工藝。真空輔助灌注技術(shù)是應(yīng)用薄膜包覆敞口模具，應(yīng)用真空泵抽真空，借助于鋪放在結(jié)構(gòu)層表面的高滲透率的介質(zhì)引導(dǎo)將樹脂注入到結(jié)構(gòu)層中。它多用于成型形狀復(fù)雜的大型厚壁制品，在國外已用于成型大型的GFRP葉片。  
　　大型風(fēng)機葉片大多采用組裝方式制造。在兩個陰模上分別成型葉片蒙皮，而主梁及其它GFRP部件分別在專用模具上成型，然后在主模具上把兩個蒙皮、主梁及其它部件膠接組裝在一起，合模加壓固化后制成整體葉片。  
　　以前，我國GFRP葉片的制造廠家由于受市場、技術(shù)、材料及資金等方面的影響，大多采用濕法手湖工藝，常溫固化。工藝相對簡單，不需要加溫加壓裝置。但于大型的MW級風(fēng)力機葉片，由于葉片體形龐大，最寬處達(dá)300cm左右，最高處大于200cm，傳統(tǒng)的手糊成型工藝已不適用。真實輔助灌注技術(shù)是解決這一難題的新成型工藝。  
　　但是，用真過分灌注工藝生產(chǎn)CFRP有一定的難度。CF比GF更細(xì)，表面積更大，更難于有效浸漬，適用的樹脂粘度更低。SP公司的SPRNT工藝技術(shù)采用樹脂膜交替夾在CF中，經(jīng)加熱和抽真空使樹脂向外滲透，使樹脂沿鋪層的厚度方向浸漬，浸漬快且充分，同時采用抽真空加速樹脂的流動。該工藝技術(shù)也適用于鋪層較厚的葉片根部。另外，目前常用的CF主要是小絲束（24k以下），價格較高。價格是制約CF在大型風(fēng)機葉片應(yīng)用的主要因素。大絲束CF的價格相對低廉，但其應(yīng)用還存在一些技術(shù)問題。例如大絲束CF較粗，且不易展開，有粘連、斷絲現(xiàn)象，使強度及剛度等性能受到影響，性能的分散性相應(yīng)較大。  
　　3  FRP葉片的發(fā)展趨勢  
　　3.1  向大功率、長葉片方向發(fā)展  
　　由于風(fēng)力發(fā)電每千瓦成本隨風(fēng)力發(fā)電的單機功率的增大而降低，因此風(fēng)力發(fā)電的單機功率一直在不斷增長，葉片的長度也在不斷增加。1992~1999年，歐洲風(fēng)力發(fā)電的單機功率從200KW增加到700KW，葉片的長度則由12m增加到22m。1999~2000年，風(fēng)力發(fā)電的單機功率平均增長到900KW。目前國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機單機功率為1.5MW左右，葉片長度為34~37m；在國外，20~35MW的風(fēng)機已經(jīng)成功裝機，長度為50~60m的葉片已研制成功并準(zhǔn)備大規(guī)模安裝。世界上風(fēng)力發(fā)電葉片最大的制造商LM Glasfiber公司關(guān)閉了一個位于丹麥Jutland的葉片生產(chǎn)廠，而該廠是專業(yè)生產(chǎn)長度小于24m的風(fēng)機葉片的廠家。宣布關(guān)閉廠房的原因是市場對風(fēng)機葉片的需求已經(jīng)不再是24m以下的小葉片，而是大功率的葉片。更大型、性能更好的機組也已開發(fā)出來并投入生產(chǎn)運行，如丹麥新建的幾個風(fēng)電場，單機容量都在2MW以上；摩洛哥在北方脫萊斯建造的風(fēng)電場采用的風(fēng)電機組功率達(dá)到2.1MW。  
      隨著海上風(fēng)電場的建設(shè)，需要單機容量更大的機組。預(yù)計2010年將開發(fā)出10MW的風(fēng)電機組。  
　　3.2  FRP葉片不斷更新設(shè)計  
　　由于風(fēng)力發(fā)電向大功率、長葉片方向發(fā)展，除了要求提高材料的性能之外，葉片結(jié)構(gòu)更要不斷地更新設(shè)計。比如，為了保證葉片與塔柱的間隙，除了提高葉片材料的剛度外，從設(shè)計角度可以在風(fēng)力作用的反方向?qū)⑷~片設(shè)計成預(yù)彎曲外形，然后在風(fēng)力作用下使預(yù)彎曲葉片變直。又如，在葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用“彎曲·扭轉(zhuǎn)”耦合效應(yīng)，實現(xiàn)控制載荷和應(yīng)力，最終達(dá)到降低載荷峰值并減少疲勞破壞的目的。  
　　目前市場上的風(fēng)機葉片基本上是預(yù)扭結(jié)構(gòu)，這樣可以使葉片在工作時能使所有旋轉(zhuǎn)部位都較大的升阻比（升力系數(shù)與阻力系數(shù)之比）。同時為了工藝方便，基本上都是沿著葉片軸向鋪設(shè)纖維。  
　　“彎·扭”耦合是當(dāng)今風(fēng)力發(fā)電機FRP葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要思想。為了提高葉片的性能，很多人提出了沿葉片長度方向偏置一定角度鋪設(shè)單向CF層，稱之為“偏軸CF”，這樣可以通過“彎·扭”耦合效應(yīng)使結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力方向與CF的鋪層方向一致，發(fā)揮CF拉抻強度高的優(yōu)點，提高結(jié)構(gòu)的安全性。但是這種結(jié)構(gòu)設(shè)計也帶來了一定問題：其一是偏軸纖維鋪層比較困難；其二是偏軸纖維會在蒙皮的結(jié)合部位發(fā)生斷層和扭曲，這會大大降低蒙皮粘合后結(jié)構(gòu)的強度，很容易在鋪設(shè)纖維時產(chǎn)生剪切，這可能會在樹脂內(nèi)產(chǎn)生附加應(yīng)力，從而使疲勞極限載荷降低。  
　　 為了克服偏軸纖維的不利因素，在保留“彎·扭”耦合效應(yīng)、避免纖維斷層的基礎(chǔ)上，M Zuteck提出一種新穎的葉片結(jié)構(gòu)形式，采用“掃略式”的結(jié)構(gòu)使葉片尖部在弦線方向有一定扭轉(zhuǎn)角度，使葉片看起來像個“彎刀”狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可在工作時產(chǎn)生彎矩引起一定扭轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)控制載荷和應(yīng)力，最終達(dá)到降低載荷峰值并減少疲勞破壞的目的。  
　　最近，美國Sandia國家實驗室與圣地亞哥Knight & Carver公司合作，研發(fā)設(shè)計出一種新型風(fēng)機葉片。研究人員承諾這種設(shè)計將會比目前的設(shè)計更有效，而且可以大幅度降低低風(fēng)速地區(qū)的風(fēng)機能源成本。這種名為“STAR”的葉片的最大特點是葉尖逐漸彎曲。這不同于目前使用的大多數(shù)巨大的葉片，是專門為低風(fēng)速地區(qū)設(shè)計的。這些低風(fēng)速地區(qū)高空10m處所測的年均風(fēng)速約為5.8m/s。美國低風(fēng)速地區(qū)很廣，這些地區(qū)對風(fēng)能的利用可使風(fēng)能的可經(jīng)濟利用面積增加20倍。Sandia國家實驗室葉片設(shè)計研究負(fù)責(zé)人Tom-Ash-will稱，這種設(shè)計可以使葉片比傳統(tǒng)設(shè)計更有彎曲度，從而減少颶風(fēng)對葉片造成的損壞。  
　　4  結(jié)語  
      FRP以其輕質(zhì)、耐腐蝕和高拉伸彈性模量一直是風(fēng)力發(fā)電機葉片最理想的材料。近年來商業(yè)化生產(chǎn)的風(fēng)機葉片尺寸增長迅速，這為風(fēng)機從自然界中汲取更多能量提供更好的條件。隨著風(fēng)機葉片的大型化，勢必尋求葉片的輕量化及長壽化，而GFRP在其強度等性能方面受到限制，因此在GF中加入性能更好的CF是必然趨勢。隨著全球?qū)G色能源的需求的不斷提高，風(fēng)電市場逐漸成熟和壯大，F(xiàn)RP在風(fēng)機葉片上的應(yīng)用前景也會越來越廣。