摘 要：介绍了国内外风力发电产业的现状、发展动向和风机叶片材料的选择，指出碳纤维作为风机叶片增强材料具有广阔的应用前景。

0  前  言
    风能是一种清河再生能源，取之不尽，用之不竭。美国斯坦福大学土木和环境系根据美国气象数据中心1998~2002年的风速和温度数据，按80m高度处风速为6.9m/s计算得出风能可利用资源量为7.2PW。美国能源部信息管理局发布的《国际能源展望2006》预计，全的用电量2015年将达到2.2PW，到2030年将达到3.0PW。如果风力发电技术和规模水平能做到成功利用10%的风能资源，那就足以承载1/4的电力需求量。
1  国内外风电产业现状
1.1  风电产业蓬勃发展
    风电产业发展很快，远远超过太阳能、生物质能发电的发展。2000年风电时机184.5MW，2005年已达593.2MW，年均增长26.4%。2006年风电机组安装量新增15GW，新增发电设备价值为180亿欧元，累计安装总量达75GW。目前风电市场的发展主要在欧洲，排名前4位的分别是德国、美国、西班牙和丹麦。据发展中能源研究会(EER)于2007年11月底发布的预测，到2015年风能发电将翻3倍以上，累计装机总容量预计将从2007年91GW增加到2015年的290GW。
    由于风电发电与传统燃料发电相比是无污染的发电方式，是富有生命力的清洁能源，特别是在能源紧缺的大气候影响下，各国对风力发电都很重视。欧洲有关条例规定，到2010年必须有12%的能量来自可再生能源。欧洲风能市场在过去5a中平均年增长率达35%。德国是风能“超级大国”，几乎拥有风电总装机容量的40%，计划到2030年风电占电力供应总量的1/4左右。2006年美国新增风力发电功率2.5GW，居之，风力发电总能力达到10GW。丹麦鼓励风能开发，目前风电已能满足该国10%以上的用电需求。英国于2003年7月启动第二轮大规模风力发电计划，预计到2010年风力发电力增加20倍，沿海风力发电量占电力供应总量的4%~7%。印度风力发电业发展迅速，目前已成为第五大和发展中大的风能市场。日本尽管依靠核电，但也鼓励开发风能，预计到2010年风力发电达到3GW。有机构预测，未来风力发电投资增长快的区域将是美国、和印度，到2015年风电总投资将达2200~2500亿美元。
    各国在风能开发利用方面投资的持续增长，导致风力发电设备制造业成为许多热门的经济领域，相应的市场规模获得急剧扩大。美国Zoltek公司与丹麦Vestas公司签订了长期战略性碳纤维及碳纤维制品供货协议。有资料报道，Zoltek公司将向Vestas公司提供30多亿美元的碳纤维及其制品，用作风力发电机转子叶片。Vestas公司着手在美国、西班牙及开发新叶片工作。Zoltek公司还向德国Dewind公司供应碳纤维，用于生产风力发电机转子叶片，销售额达3亿美元。
1.2  风电产业增长迅速
    风能资源丰富，总计约1000GW，风能利用潜力巨大。近年来，随着设备制造能力的增强，我国风电产业呈现加速增长的态势。我国2006年开始掀起的节能减排风暴更是助推风电这一新兴绿色能源产业的蓬勃发展。2004年以业的3年增长率分别达到34.7%、65.7%和90.9%。2006年我国风电总装机容量达到2.6GW。我国已在新疆、内蒙古、江苏、上海、湖北、福建、珠海等地建造或拟建风力发电场。我国风电产业进入高速扩张阶段，项目建设风起云涌。[-page-] 
    2007年9月，由香港华顺贸易有限公司总投资达13亿元的100MW风能发电项目落户徐洲沛县微山湖堤岸两侧。
    2007年11月，大唐多伦大西山风电场330MW项目中的台风机成功并入蒙西电网发电，湖北省九宫山风力发电场正式投入高业运营。
    2007年11月22日，我国台具有自主知识产权的2MW风力发电机组样机在重庆成功下线，随即获得华能集团价值1.57亿元的订单。
    2007年11月28日，地处渤海辽东海的座海上风力发电站正式投入运营，是上座专为海上油气田供电的风电站。
    2007年12月29日，大唐赤峰赛罕坝风电场波力克一期工程批机组并网发电，这个目前上大风电场年发电量可达1250GW，相当于一个中等城市4个月的用电量。
    根据规划，到“十一五”期末，风能总装机容量将达到5GW，但实际容量将达到10~12GW。近发改委提出了新的风电发展目标，到2020年将达到20GW的风电装机容量。因此，在以后的若干年内，我国风电行业的装备制造业必将超速发展。
1.3  风电设备制造业市场潜力大
    目前风机零部件制造已成为风电产业迅猛发展的瓶颈，叶轮、塔架、齿轮箱、轴承、发电机等相关厂商虽然在努力跟上产业的发展，但风电开发商们常常得为订购的风电设备苦苦等待1~2a之久。为了大力发展风电产业，各国致力研究生产风电产业先进技术装备。譬如，大型叶片材料供应商Zoltek公司扩大碳纤维产能，从2005年2800t/a扩大到2008年的10800t/a。Zoltek公司认为，制作大而轻又有高韧性的转子叶片，采用碳纤维是关键的因素。
    我国防科工委编制印发了国防科技工业风力发电装备产业发展指南(2007~2020)，强调要以关键技术的突破和掌握作为产业发展的基础和动力，以高技术含量和高附加值作为产品研发的目标与追求。2015年前建成8~10个处于国内水平的重点零部件企业，形成产值200亿的生产能力；2020年前建成2~3个处于国内水平的重点整机制造企业，年产整机组2000台的能力。国内金风科技等企业纷纷扩产或新上项目。2007年7月复合集团从德国引进整套风力发电复合材料叶片制造技术，在连云港正式投资建厂；紧接着，中复神鹰碳纤维有限公司在连云港成立，该公司碳纤维项目计划总投资30亿元，一期工程投资6.5亿元。
2  风电产业发展动向
2.1  大型化
    对于给定的风电场地，风机的输出功率P与风轮直径D的平方成正比，即P=0.3*D2。增加风轮直径，风机轮出功率将按指数函数增加。目前风电机的风轮直径和输出功率的对应关系如表1所示。
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    由于风力发电成本随着风力发电单机功率的增大而降低，因此从安装台现代化的风力发电装置开始单机功率就在不断增大，风机叶片长度也在不断增加。风力发电叶片大制造商LMGlasfiber公司已关闭了专门生产长度在24m以下的叶片厂。发Enercon GmbH制造的风电机转子直径达114m,额定功率为4.5MW。
    大型机组还有土地占用面积小、管理和维修费用低的优点。理论上一台1GW风电机组要比10台100MW风电机组的发电成本降低1/3以上。无论是陆地风力发电还是海上风力发电，每千瓦小时的发电成本都随着发电机单机容量的增加而下降，因此，发电装备的大型化已经成为风力发电的发展趋势。
2.2  海洋化
    目前，海上风电总装机容量已达800MW。据欧洲风能协会预测，到2010年和2020年，欧洲海上风电总装机容量将分别达到10GW和70GW，今后15a海上风电将成为风电产业发展的重要方向。
    海洋风力比陆地大而稳定，场地受限小，更有利于发展大型风电机组。海洋风速比陆地高20%~100%，风电功率与风速的3次方成正比，一般海洋风电功率比陆地大1.7倍。风能发电的大型化和海洋化相互促进。
    便海上风电场建设的工程技术比之陆地要复杂、难度要大；需要考虑风和波浪的双重载荷，对风电机组支撑结构的强度要求高；海上气候环境恶劣，天气、海浪、潮汐等因素复杂多变，海上风电机组的单机容量大，制造技术复杂，对风电机组材料的防腐蚀等要求更为苛刻。
    对海上风电的研究与开发始于上世纪90年代，经过10多年的发展，海上风电技术正日趋成熟，并开始进入大规模开发阶段。据报道，德国Enorcon公司已经开发了6MW的机组，GF公司7.3MW的机组已经安装于夏威夷岛北岸，英国研制10MW的巨型风力机。随着海上风电场的建设，预计2010年将开发出单机容量10MW的风电机组。
    我国海上可开发风能资源约750GW，是陆上风能资源的3倍。虽然我国尚缺乏海上风电场建设的经验，但经过近些年的探索，海上风电机组的设计和制造已经起步，由中海油投资、设计、建造安装的海上风力发电站从2007年11月8日开始试运行，到11月26日已发电200MW・h，这为今后海上风电发展提供了技术，积累了经验，标志着海上风电发展取得突破。
3  碳纤维风机叶片
3.1  风机工作原理及叶片作用
    目前国内外风力发电机普遍应用的是水平轴和垂直两大类，又以水平轴升力型居多。
    一部典型的现代水平轴升力型风力发电机包括叶片、轮毂(与叶片合称叶轮)、机舱罩、齿轮箱、发电机、塔架、基座、控制系统、制动系统、偏航系统、液压装置等。其工作原理是：当风流过叶片时，由于空气动力的效应带动叶轮转动，叶轮通过主轴连接齿轮箱，经过齿轮箱(或增速机)加速后带动发电机发电。
    风力发电机并不能将所有的流经的风力能源转换成电力，理论上高转换效率约为59%，实际上大多数的叶片转换风能效率约介于30%~50%之间，经过机电设备转换成电能后的总输出效率约为20%~45%。[-page-] 
    风机叶片从风的流动获得的能量与风速的3次方成正比，与叶轮直径平方成正比，叶轮直径决定了可撷取风能的多寡。叶片的数量也会影响到风机的输出。一般来说，2叶、3叶风机效率较高，力矩较低，适用于发电。现代风机的叶片大多采用机翼的翼型。
3.2  风机叶片与碳纤维增强复合材料
    风机叶片是风力发电机组有效捕获风能的关键部件，被视为风力发电系统的关键技术和技术水平标志。在发电机功率确定的条件下，如何提高发电效率，以获理更大的风能，一直是风力发电追求的目标，而捕风能力的提高与叶片的形状、长度和面积有着密切的关系，叶片尺寸的大小则主要依赖于制造叶片的材料。
   对同一材料而言，增加风机叶片长度势必增加叶片质量。统计研究表明，叶片质量W随叶片长度L的3次方增加，即W=AL3，如图1所示。
    
    叶片质量对风机的运行、疲劳寿命和能量输出都有重要影响。研究表明，风机叶片增长时，叶片质量的增加幅度大于风机能量输出幅度的增加。显然，叶片的轻量化可以减轻风机支撑部件的质量，有利于风机的寿命和能量的输出。其次，减轻叶片质量对其本身的刚性有直接影响。为了保证在极端风力下叶片的叶尖不致于变形而擦碰塔架，叶片必须有一定的刚性。叶片的材料越轻、强度和刚度越高，叶片抵御载荷的能力就越强，叶片就可以做得越大，叶片的捕风能力也就越强。
    目前，风力发电机叶片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(GFRP)和碳纤维增强环氧树脂(CFRP)，通过手工铺放或树脂注入等成型工艺复合而成。从强度和刚性等性能来讲碳纤维增强环氧树脂好，玻璃纤维增强环氧树脂次之。
    就GFRP叶片的模量和强度来说，目前的临界长度大约是60m。CFRP的比强度(强度/密度)约GFRP的2倍，CFRP的比模量(模量/密度)约是GFRP的3倍。由于CFRP轻而刚又强，决定了采用CFRP叶片能够增加叶片的临界长度。
    CFRP具有高的抗压缩强度、抗剪切强度和优良的耐疲劳性和阻尼特性。碳纤维的耐蚀性也非常优异，在酸、碱、盐的溶剂中长期浸泡不会溶胀变形。CFRP的耐蚀性主要取决于基体树脂。试验表明，CFRP和GFRP在沸腾盐水中，随着吸水量的增加，GFRP的抗弯曲强度、抗层间剥离强度大幅度下降，而CFRP的抗弯曲强度、抗层间剥离强度大幅度下降，而CFRP在相同吸水量的情况下，仍保持较高的性能。此外，由于碳纤维具有导电性，也可以有效地避免雷击对叶片造成的损伤。[-page-] 
    当然，CFRP在风力发电上的大量采用也面临价格的压力。
    由于目前玻纤的价格大大低于碳纤维，<60m长的叶片仍然采用玻纤制造。LM公司开发61.5m大型复合材料叶片时，为了保证叶片能够安全承担风力、温度等外界载荷，采用了玻纤/碳纤维混杂复合材料结构，在横梁和翼缘等要求较高的部位使用碳纤维作为增强材料，单片叶片质量达15t。54mGFRP叶片轻的达13.4t，44m长的GFRP叶片质量约为11t，而德国Nordex公司和西班牙Gamela公司的44m长的CFRP叶片质量分别为9.6t和7t，呵用于2.5MW的风电机组。德国Nordex公司开发了56m长的CFRP叶片，其认为使用碳纤维可减少材料用量，当叶片尺寸大到一定程度时，CFRP叶片的成本不高于GFRP叶片。据Zoltex公司介绍，其生产的大丝束碳纤维Panex33(48k)用于风机叶片可以减轻40%，叶片降低成本14%，并使整个风机发电装置成本降低4.5%。国外的新型5MW风电机叶片规定模梁结构要用碳纤维。
    因此，为了适应风力发电产业发展趋势，开发更长且刚性更好的叶片，采用碳纤维作用风机叶片的增强材料势在必行。
4  结语
    风能是可再生能源中有发展前景的清洁能源，风电产业的发展趋势是大型化、海洋化，必然要求叶片大型化。尽管采用CFRP叶片尚有技术性和成本性的问题需要解决完善，但风能产业的蓬勃发展和碳纤维的优良性能已经展示了碳纤维作为增强材料应用于风能产业的广阔前景。