大型風力發電機復合材料葉片技術及進展

    風電技術發展的一個重要標志是單機容量的增加。在歐洲，尤其是德國、丹麥、西班牙，自1997年以來，風力機組的平均單機容量已經增加了一倍多目前世界平均單機容量為1MW，主力機型是1.5～3MW。海上風電是風電發展的新領域。歐洲有十多個國家計劃在近海增加裝機容量2000萬kW以上。我國也將進行海上風電的開發。第一個海上風電項目的裝機容量為2萬kW，采用8臺2.5MW機組。在近海建立風電場的主要原因是海上的風速相對較高，大部分海上風場的發電量會比陸上風場高20～40%，其次是減少風場對陸上景觀的影響。為適應海上風電的需求，制造商已制造出單機容量為2～5MW的風力機組，與其配套的復合材料葉片長40～60m。在未來10年，還有可能出現大于5MW機組用的更長的葉片。丹麥RISOE實驗室新籌建的葉片試驗中心能進行長度100m的葉片結構試驗，為今后風電技術發展做準備。
    葉片長度增加勢必增加葉片的重量。對10--60m長度的葉片進行了統計研究，發現葉片重量按長度的三次方增加。
    葉片重量對運行、疲勞壽命、能量輸出有重要的影響。由于葉片運行，重力產生交變荷載，使葉片本身及機組產生疲勞。葉片減重可相應減少輪轂、機艙、塔架等結構的重量。
    對于大型葉片，剛度成為主要問題。為了保證在極端風載下葉尖不碰塔架，葉片必須具有足夠的剛度。減輕葉片的重量，又要滿足強度與剛度要求，有效的辦法是采用碳纖維增強。碳纖維復合材料的彈性模量是GRP的2～3倍。大型葉片采用碳纖維增強可充分發揮其高彈輕質的優點。據分析，采用碳/玻混雜增強方案，葉片可減重20～30%。目前世界上最大碳/玻混雜風力機葉片是Nodex公司為海上風電5MW機組配套研制的，葉片長56m。Nodex公司還開發了43m(9.6t)碳/玻葉片，可用于陸上2.5MW機組。Enercon公司開發了4.5MW風力機組用碳纖維增強葉片。對于大型葉片是否需用碳纖維增強，目前還有爭議。LM公司開發的60m葉片是GRP的。目前大多數人認為這應有一個臨界尺度，大于此尺度的葉片須使用碳纖維增強。