復合材料風電葉片的發展現狀及若干問題的對策

1引言
    隨著煤、石油、天然氣等傳統化石能源耗盡時間表的日益臨近，風能的開發和利用越來越得到人們的重視，已成為能源領域最具商業推廣前景的項目之一，目前在國內外發展迅速。中國2005年冬到2006年春的用電缺口達到了1500萬kW，電力增長仍有極大的潛力。而與之對應的現階段我國的電力構成中，風力發電僅占1%左右^[1]，風力的開發和利用仍有很大的空間，幾乎每個省份都有在建或擬建的風電項目^[2]。據國外媒體報道，為取代“911”恐怖襲擊中倒塌的世貿雙子塔樓而設計的1776英尺高的“自由塔”的樓頂也將設置風力發電機，風力發電在當今世界之熱門程度由此可見。
    商業通信公司預測，今后若干年內世界大型風力機市場將會以年20%左右的速率增長，中國的增長速率可能會更快。據估計，2006~2010年之間，我國風電葉片的需求量大約在7000多片，2011~2020年的需求量則將達到驚人的50000片^[3]。巨大的市場前景使得目前風機行業的競爭空前激烈。整機方面，目前國際市場格局已初步成型。2005年全球超過75%的市場份額被丹麥Vestas、西班牙Gamesa、德國Enercon和美國GE WIND四家企業占據，新進入企業的生存空間不大；國內的整機生產企業中，新疆金風、浙江運達、大連重工集團、東方汽輪機廠等幾家的市場前景被業界看好，這其中又以新疆金風科技在國內品牌中的市場份額最大。葉片市場的情況與整機基本類似，單是丹麥LM Glasfiber公司一家就占據了國際市場40％以上的份額，其產品被GE WIND、西門子（原丹麥BONUS）、SUZLON、Repower、Nordex等公司全部或部分采用^[4]；另外Vestas和Enercon公司也擁有各自的葉片生產部門。國內的葉片生產企業主要有中航保定惠騰、連云港中復連眾復合材料集團等。
2復合材料風電葉片的材料體系及制造工藝
    復合材料在風力發電中的應用主要是轉子葉片、機艙罩和整流罩的制造。相對而言，機艙罩和整流罩的技術門檻較低，生產開發的難度不大。而風力發電機轉子葉片則是風力發電機組的關鍵部件之一，其設計、材料和工藝決定風力發電裝置的性能和功率。在風力發電機興起100多年的歷史里，葉片材料經歷了木制葉片、布蒙皮葉片、鋁合金葉片等。隨著聯網型風力發電機的出現，風力發電進入高速發展時期，傳統材料的葉片在日益大型化的風力發電機上使用時某些性能已達不到要求，于是具有高比強度的復合材料葉片發展起來。現在，幾乎所有的商業級葉片均采用復合材料為主體制造，風電葉片已成為復合材料的重要應用領域之一。
    采用復合材料葉片主要有以下優點：①輕質高強，剛度好。眾所周知復合材料性能具有可設計性，可根據葉片受力特點設計強度與剛度，從而減輕葉片重量；②葉片設計壽命按20年計，則其要經受10⁸周次以上的疲勞交變，因此材料的疲勞性能要好。復合材料缺口敏感性低，內阻尼大，抗震性能好，疲勞強度高；③風力機安裝在戶外，近年來又大力發展海上風電場，要受到酸、堿、水汽等各種氣候環境的影響，復合材料葉片耐候性好，可滿足使用要求；④維護方便。復合材料葉片除了每隔若干年在葉片表面進行涂漆等工作外，一般不需要大的維修。
2.1復合材料葉片的材料體系