復合材料在風機葉片上的應用與展望

    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，生產開發難度較小。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10(8次方)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。
3.1 材 料
    風力發電機葉片是一個復合材料制成的薄殼結構，一般由根部、外殼和加強筋或主梁三部分組成，復合材料在整個風電葉片中的重量一般占到90%以上。
    目前商品化的大型風力機葉片大多采用玻璃纖維復合材料（GRP）。長度大于40m的葉片可采用碳／玻混雜復合材料，但由于碳纖維的價格，未能推廣應用。GRP葉片有以下特點：①可根據風力機葉片的受力特點設計強度與剛度。風力機葉片主要是縱向受力，即氣動彎曲和離心力，氣動彎曲荷載比離心力大得多，由剪切與扭轉產生的剪應力不大。復合材料由于主要承力組分是纖維，可將纖維主要鋪放在葉片的縱向，這樣就可減輕葉片的重量；②翼型容易成型，并達到最大氣動效率。為了達到最佳氣動效果，葉片具有復雜的氣動外形。在風輪的不同半徑處，葉片的弦長、厚度、扭角和翼型都是不同的，如用金屬制造十分困難。GRP葉片可實現批量生產；③葉片使用20年，要經受10（8次方） 次以上疲勞交變，因此材料的疲勞性能要好。GRP疲勞強度較高，缺口敏感性低，內阻尼大，抗震性能較好，是制作葉片的理想材料；④GRP耐腐蝕性好。風力機安裝在戶外，近年來又大力發展離岸風電場，風力機安裝在海上，風力機組及葉片要受到各種氣候環境的影響。它應具有耐酸、堿、水汽的性能。