1 前言
    风能是绿色、环保、可再生能源，取之不尽，用之不竭。在当今能源短缺、供应紧张，同时又突出强调环保的情况下，大力开发利用风能，用之发电，乃是普遍的趋势和潮流，如此，亦然。
    风力发电是目前上能源领域发展快且相对成熟的技术之一，据知大约每年以25~30％的速度递增。表1给出2006年各国风电装机容量前十名的情况，表2则给出2006年各国新增装机容量前十名的情况。
    分析表1和表2的数据可见，目前风电总装机容量已达74221MW，2006年是风电发展创记录的一年，新增装机容量15197MW，增幅达32%左右。目前总装机容量已达2604MW，排名第六，亚洲第二，远落后于印度；2006年新增容量1347MW，增幅达107％左右，增速为。

    据发改委的计划安排，我国的装机容量2010年达5000MW，2015年达15000MW，2020年达30000MW，拟占届时国内总发电量的15%左右。因此风力发电在我国未来的十几年间将有相当大的发展空间，形成了当前国内的风电热。[-page-]
    在风电设备中风力发电机的叶片是提高其性能的关键部件，而制造成本在总成本中所占比重大，约为15~20％。目前大型风力发电机的叶片基本上均由各种复合材料制成，因此叶片气动设计和结构设计技术与复合材料技术密切相关，同时复合材料还用在机舱罩、轮毂、塔架等部位。目前为降低风力发电成本，要求单机容量越来越大，叶片越来越长。理论和实践表明，风力机捕获风能的多少与风轮直径的平方成正比，因此如果叶片增长6％，则捕获的风能可增加12％以上。目前已在研发5MW以上、长达50m以上的叶片，更进一步向7~10MW、
长达60m以上的叶片发展。叶片大型化的同时还要求轻量化、低成本化和高性能化，即在满足安全、可靠和寿命要求的前提下质量要更轻、成本更低、功率更高。为此要进行气动及结构设计、材料体系和制造技术上的系列革新。
    目前我国风力机叶片技术已可制造1.5~2.0MW、长达35~37.5m的叶片，正在计划研发2.5~3.0MW、长达40m以上的叶片。风力机的研制是设计空气动力学、机械设计与制造、材料、电机、控制等的多学科的系统工程，尽管我国已引进一些国外制造技术，但从综合技术水平上看，我们严重缺乏具有独立自主知识产权的核心技术以及进行自主创新的能力，我们与的先进水平还有一定差距，急需一个综合配套的跨越式的创新发展。
2 风力机叶片与复合材料
    风力机叶片曾用木材和金属来制造，但随着风力机向大型化的发展，近年来已基本用各种复合材料所代替。故风力机叶片已成为目前复合材料极重要的应用领域之一。
2.1 材料体系
    风力机叶片用主要材料体系包括各种增强材料、基体材料、夹层泡沫、胶粘剂和各种辅助材料等。
    增强材料大量使用E玻纤，其成本低(10元／公斤以下)、适用性强。当要求更高的强度和刚度时，将会使用到高强玻纤，如S2玻纤，虽然价格较高(40~50元／公斤)，但适当使用会有好处。某些新兴纤维也可用作候选对象，如超高分子量聚乙烯纤维、玄武岩纤维等。玄武岩纤维是一种新型无机纤维，由宣武岩石在高温熔融状态下拉丝而成，其力学性能与S2玻纤相当，但有更好的耐酸碱和耐高温性能。当叶片更长时，强度、刚度要求更高、自重更大，此时则要求采用碳纤维。各种有关纤维的主要性能见表3。

    基体材料目前大量使用不饱和聚酯树脂(UPR)，其综合性能优良，价格又低，国产已可满足要求。其次还有乙烯基酯树脂(VER)、环氧树脂(EPR)等。以环氧树脂为基体的复合材料力学性能更好，特别是当使用碳纤维时，树脂多用环氧为主。上述材料均为热固性树脂，现在也有用热塑性树脂的，如Gaoth Tec Tea公司研发所谓的“绿色叶片”(Greenblade)。虽然目前成本较高，但有一系列优点，特别是可回收，从而解决了环保问题。
    叶片以及机舱罩等结构多用夹层结构形式，会大量用到闭孔泡沫材料，目前国内多用瑞典戴泊(DIAB)公司的泡沫。关于胶粘剂和辅助材料等则问题不大，但多用进口材料。[-page-]
2.2 制造工艺
    叶片传统的成型工艺多用手工铺糊，又称湿法成型。该法以手工劳动为主，简便易行、成本低，但效率亦低、质量不稳定、工作环境差，多用于中小型叶片的成型；干法成型，即预浸料成型，属新兴技术。纤维先制成预浸料，现场铺放，加温(或常温)加压固化，生产效率高，现场工作环境好，由丹麦的Ves-tas创并大量应用。应特别指出当叶片用到碳纤维时，多采用预浸料法成型。
    叶片新发展的成型方法是RTM，即树脂转移模塑成型法。将纤维预成型体置于模腔中，然后注人树脂，加温加压成型。RTM是目前上公认的低成本制造方法，发展迅速，应用广泛。应该指出的是RTM是该法的一个总称，其中可有多种分支。生产大型叶片多用的是VARTM和SCRIMP法。VAR-TM即真空辅助RTM一边抽真空一边注入树脂，此时只用单面模具，另一面用真空袋。SCRIMP即西曼复合材料熔塑成型法，为美国人西曼所发明，仅需单面模具且要求简单，另一面亦为真空袋，适用于制造大型复杂制件。TPI Composites公司已用该法制造了30m长的叶片。此外也有用缠绕和拉挤法生产叶片的。
    制造涉及的另一个重要问题是模具。模具亦多由复合材料制成，以钢架支持，由木制实体样件为阳模，反制阴模型腔，再经严格的表面处理而成。模具技术亦是一个有难度的专门技术。
2.3 气动与结构设计
    叶片的设计主要为气动外形设计和结构设计及防雷击系统设计等。
    叶片的气动外形设计是风力机叶片设计的基础，直接影响风力机的空气动力特性和电价成本。叶片的翼型气动外形设计一直沿用飞机的螺旋桨设计原理，在很大程度上限制了风力机性能的发挥。近来国内专家，如沈阳航空工业学院的申振华教授从航空发动机研究的独特视角对风力机的气动问题进行系统分析，指出其不合理性：风力机原本是风力涡轮，既是“涡轮”，却为什么一直抄用螺旋桨（压气机类）的叶型？众所周知，涡轮的功转换能力比压气机大得多，在航空发动机中，一级涡轮可带动多级压气机，原因就是涡轮叶片的叶型弯度比压气机大得多。那么，风力机是否可以照搬涡轮的叶型呢？答案是否定的，因为风力涡轮和通常的燃气涡轮工作条件不同：①燃气涡轮有机匣限制气流的流动，而风力涡轮则没有；②在燃气涡轮情况下，涡轮叶片数目众多，稠度很大，气流在叶栅通道中的流动受到了相当大的约束，况且其中的流动是加速流动，气流不易在吸力面发生分离，但是在风力机则不然，它只有2~3支叶片，基本无“稠度”可言，如果照搬涡轮的叶型，势必在其吸力面造成严重的气流分离。由此申教授提出了风力机叶片翼型“涡轮化”的新概念，得到了业内众多专家的一致好评。为此保持叶片吸力面的螺旋桨翼型型面不变，以保持原有翼型良好的气动性能；同时对翼型的压力面进行大幅度改进，显著增加其弯度。理论分析以及对原有翼型和改进翼型进行的大量风洞对比实验证明了这一概念的正确性。几年来，申教授等对风力机工作原理及性能改进方法进行了一系列开发研究，先后提出了风力机的桨尖喷气推力型工作原理、风力机的翼型“涡轮化”新概念以及由Gurney襟翼改进的钝尾缘翼型，并经原理性风洞试验证实，每项技术均可显著或明显提高风力机的风能利用系数。这些技术已申请了发明，具有独立的自主知识产权，可在风力机叶片的设计中推广应用。
    叶片的结构设计与复合材料的设计技术密切相关，结构设计在满足强度、刚度、寿命和可靠性的前提下质量要轻。叶片多采用梁式结构，泡沫夹层结构蒙皮，梁可有I形梁、C形梁、D形梁、矩形梁、圆形梁等之分，且多为单梁式结构。叶片根部的设计重要而复杂，与轮毂的连接设计尤为关键，因为这是集中传力的主接头。结构设计中具特色的是复合材料的铺层设计，特别是当采用碳纤维复合材料时。一般讲叶片要有20~30年的使用寿命，大约要经过1~10亿次的载荷循环。目前提高结构效率的主要方法有精确计算气动载荷、适当降低安全系数、合理增加相对厚度t/c（翼型厚度与平均气动弦之比）、合理选用混杂复合材料等。
    叶片设计中要注意气动与结构的综合，实现气动／结构的优化组合。[-page-]
2.4 力学的计算分析与试验验证
    叶片主要受气动力、重力和离心力。这三种力对叶片形成拉、压、弯、扭载荷。计算分析主要是获取应力及其分布、结构变形（大挠度）和疲劳寿命，其中包括屈曲分析、连接计算、频率、模态和动响应分析等。校核结构的强度、刚度，给出疲劳寿命，保证结构的安全、可靠和有效地使用。
    计算分析中要用到复合材料层压板理论、复合材料连接计算、稳定性计算方法和理论、有限元建模和计算分析方法、专门的计算分析程序和软件等。根部的计算分析还会用到三维非线性有限元分析等。进行疲劳寿命分析时要事先建立疲劳载荷谱。
    对复合材料结构进行有限元计算分析，当前比较好的软件是ANSYS程序。该程序提供一种特殊的复合材料单元-层合板单元，用以模拟各种复合材料结构，铺层可达250层以上。对每一铺层可先定义材料性质、铺层角、铺层厚度等，然后通过由下到上的顺序逐层叠加组合为复合材料层合板结构；也可通过直接输入材料本构矩阵来定义复合材料性质。对于板壳和梁单元，ANSYS利用截面形状工具可定义矩形、I字型、槽型等各种形式，还可以定义各种函数曲线以模拟变厚度截面。ANSYS程序中的壳单元有SHELL91、SHELL99、SHELL188、SHELL191等，可用于复合材料层合板结构分析。这些层合板单元支持各种静强度、非线性、稳定性（屈曲）、接触、模态、动力响应、疲劳断裂等结构分析。ANSYS程序中预定义了三种复合材料失效准则，分别为大应力准则分别为(Maximum stress theory)、大应变准则(Maximum strain theory)及蔡-吴准则(Tsai-Wu theory)，另外用户也可自定义六种失效准则，以评价复合材料结构的安全性。总之，对于风电叶片复合材料结构计算分析，完全可以用ANSYS程序来实现。
    除计算分析外叶片还要进行必要的试验验证，应包括典型结构件试验以及全尺寸试验甚至雷击防护试验等，如LM Glasfiber就在一个35m长的叶片上进行了全尺寸防雷击试验。国际公认的IEC88/102/CD设计标准，要求做静力和疲劳试验，丹麦标准也要求既做静力又做疲劳试验，但德国有的公司认为只做静力就可以了。静力试验主要验证叶片承受设计载荷的能力和应力应变分布，有的直到破坏以验证破坏位置、破坏模式和安全余度。疲劳试验主要验证疲劳寿命和疲劳薄弱环节。随叶片越来越大，全尺寸试验经费越来越高，此时可能强调详细分析、缩比试验、有些只做静力不做疲劳、试验也不一定做到破坏，以节省经费。
3 先进复合材料技术与风力机叶片
3.1 碳纤维与风力机叶片
    此处所言先进复合材料主要是指以碳纤维为增强相的复合材料。如上述叶片一个重要发展趋势是大型化，当装机容量4MW以上时叶片可长达50m、重达十几吨，此时强度、刚度要求越来越高、自重越来越大，以至玻纤不能承受，被迫转向碳纤，使叶片既能承载又可减重，适应叶片发展轻量化的趋势。当然目前碳纤维价格较高，限制了其应用，但近年来大丝束(24K以上)碳纤维出现，价格明显较低，给叶片的应用提供了良好的机遇。
    如丹麦的Vestas在其V90 3MW，44m长的叶片上用碳纤维取代玻纤结果其质量与V80，2MW,39m长的叶片一样，西班牙的Gamesa在其G87和G90 2MW的叶片上采用了碳纤维，其G90长44m、重达7t，为此其与大丝束碳纤维供应商Zoltek签了一个长期供货协议，价值达7500万美元。据Zoltek预估，2007年用于叶片的碳纤维可达6000t，也有的估计到2008年达4536t，即便按后者计算，其用量已可占到年碳纤维产量的1/4~1/5左右，情形相当可观。风力机叶片大量应用碳纤维亦是导致目前性的碳纤维危机的重要因素之一，为此各大碳纤维生产厂家均在大规模扩产，以满足应用的需求，如主要为风力机叶片提供纤维的厂家Zoltek已计划从2005年的1900t/年的产能扩至9100t/年，是扩产快的厂家。应该指出，目前碳纤维价格毕竟较高，所以全碳纤维的叶片应用较少，多以混杂复合材料应用为主，如主承力梁是碳纤维的，蒙皮则仍为玻纤的。国内风力机叶片上碳纤维应用几乎还是空白，只在局部结构上有所应用，与国外比差距较大。国内应启动该领域的研发工作，因碳纤维复合材料叶片的设计和成型工艺与玻纤的尚有许多不同之处。至于碳纤维目前供应紧张的问题，据笔者估计，2~3
年内当会解决。
3.2 先进复合材料技术与风力机叶片
    国际上正在发展各种先进的叶片技术，这些技术均与复合材料技术密切相关。设计上要革新叶片的气动外形、改进设计准则、精确载荷分析、发展专用的设计分析软件，采用混杂复合材料等。制造工艺上开始采用自动下料机、自动铺带技术、加速制造的自动化进程，降低生产制造成本。近国际上提出了叶片新的研发理念，叫作“未来叶片的概念”（Future Blade Concept），集中在要捕获更多的风能，并使之智能化，更可靠更耐久。如在叶片上采用智能材料、智能结构技术。LM公司先在叶片上采用了结构健康监控技术，埋入光导纤维系统，监控结构完整性和雷击情况等，希望以此提高可靠性，降低风电成本。还有的要将复合材料气动弹性剪裁技术用于风力机叶片上，所谓气动弹性剪裁（aeroelastic tailoring）是指利用复合材料的非对称非均衡铺层产生的偶合效应，实现叶片有利的变形，增加气动效率。
    上述这些叶片新技术据长期从事航空复合材料技术研究的笔者看来，多半是由航空复合材料技术向叶片应用转移而来，尽管对风力机叶片来讲技术是新的，但在航空领域，特别是在翼面结构设计上已多有应用。国内复合材料技术研究应用已有30多年的历史，有些技术已有一定基础，可为风力机叶片的发展研究提供一定的参考和借鉴。[-page-]
4 结语
    风力机叶片的大型化、轻量化、低成本化已是必然的发展趋势。综观叶片国际发展态势，可以断言，叶片技术近期会有较快、较大的发展。面对这一国际化竞争发展的格局，巨大潜在的市场商机，我们应如何应对，这是值得认真思考的问题。为此，我们建议：①应尽早规划装机容量5MW、叶片长50m以上大型叶片发展的技术问题。除上述问题外，叶片大型化还会引发一系列问题，如大功率机组的配套、道路交通运输、风场安装并网等问题，这些问题必须协调配套解决，否则大型化就无从谈起；②发展风力机叶片技术应注意整合国内复合材料的技术力量。国内在玻璃钢和先进复合材料领域已有多年的研究发展，在设计、材料及制造方面已有一定经验和基础，适当借鉴利用，实现跨越式发展是完全可能的；③目前国外大的风力机叶片厂家已积极抢滩，如LM、Vestas、Gamesa、Suzlon等均已入住天津，就地生产叶片，占据了很大的市场份额。国内的主要厂家如中复连众、保定惠腾等均有引进技术，这对加速发展我国叶片产业是必要的。但今后应强调在引进消化的基础上，有所发展、有所创新，进一步拥有自主知识产权，增加风电设备国产化份额，走出国门，参加新兴市场的争夺。
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