大型风力发电机复合材料叶片技术及进展

    风电技术发展的一个重要标志是单机容量的增加。在欧洲，尤其是德国、丹麦、西班牙，自1997年以来，风力机组的平均单机容量已经增加了一倍多目前世界平均单机容量为1MW，主力机型是1.5～3MW。海上风电是风电发展的新领域。欧洲有十多个国家计划在近海增加装机容量2000万kW以上。我国也将进行海上风电的开发。第一个海上风电项目的装机容量为2万kW，采用8台2.5MW机组。在近海建立风电场的主要原因是海上的风速相对较高，大部分海上风场的发电量会比陆上风场高20～40%，其次是减少风场对陆上景观的影响。为适应海上风电的需求，制造商已制造出单机容量为2～5MW的风力机组，与其配套的复合材料叶片长40～60m。在未来10年，还有可能出现大于5MW机组用的更长的叶片。丹麦RISOE实验室新筹建的叶片试验中心能进行长度100m的叶片结构试验，为今后风电技术发展做准备。
    叶片长度增加势必增加叶片的重量。对10--60m长度的叶片进行了统计研究，发现叶片重量按长度的三次方增加。
    叶片重量对运行、疲劳寿命、能量输出有重要的影响。由于叶片运行，重力产生交变荷载，使叶片本身及机组产生疲劳。叶片减重可相应减少轮毂、机舱、塔架等结构的重量。
    对于大型叶片，刚度成为主要问题。为了保证在极端风载下叶尖不碰塔架，叶片必须具有足够的刚度。减轻叶片的重量，又要满足强度与刚度要求，有效的办法是采用碳纤维增强。碳纤维复合材料的弹性模量是GRP的2～3倍。大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。据分析，采用碳/玻混杂增强方案，叶片可减重20～30%。目前世界上最大碳/玻混杂风力机叶片是Nodex公司为海上风电5MW机组配套研制的，叶片长56m。Nodex公司还开发了43m(9.6t)碳/玻叶片，可用于陆上2.5MW机组。Enercon公司开发了4.5MW风力机组用碳纤维增强叶片。对于大型叶片是否需用碳纤维增强，目前还有争议。LM公司开发的60m叶片是GRP的。目前大多数人认为这应有一个临界尺度，大于此尺度的叶片须使用碳纤维增强。