复合材料在风机叶片上的应用与展望

    复合材料在风力发电中的应用主要是转子叶片、机舱罩和整流罩的制造。相对而言，机舱罩和整流罩的技术门槛较低，生产开发难度较小。而风力发电机转子叶片则是风力发电机组的关键部件之一，其设计、材料和工艺决定风力发电装置的性能和功率。在风力发电机兴起100多年的历史里，叶片材料经历了木制叶片、布蒙皮叶片、铝合金叶片等。随着联网型风力发电机的出现，风力发电进入高速发展时期，传统材料的叶片在日益大型化的风力发电机上使用时某些性能已达不到要求，于是具有高比强度的复合材料叶片发展起来。现在，几乎所有的商业级叶片均采用复合材料为主体制造，风电叶片已成为复合材料的重要应用领域之一。
    采用复合材料叶片主要有以下优点：①轻质高强、刚度好。众所周知复合材料性能具有可设计性，可根据叶片受力特点设计强度与刚度，从而减轻叶片重量；②叶片设计寿命按20年计，则其要经受10(8次方)周次以上的疲劳交变，因此材料的疲劳性能要好。复合材料缺口敏感性低，内阻尼大，抗震性能好，疲劳强度高；③风力机安装在户外，近年来又大力发展海上风电场，要受到酸、碱、水汽等各种气候环境的影响，复合材料叶片耐候性好，可满足使用要求；④维护方便。复合材料叶片除了每隔若干年在叶片表面进行涂漆等工作外，一般不需要大的维修。
3.1 材 料
    风力发电机叶片是一个复合材料制成的薄壳结构，一般由根部、外壳和加强筋或主梁三部分组成，复合材料在整个风电叶片中的重量一般占到90%以上。
    目前商品化的大型风力机叶片大多采用玻璃纤维复合材料（GRP）。长度大于40m的叶片可采用碳／玻混杂复合材料，但由于碳纤维的价格，未能推广应用。GRP叶片有以下特点：①可根据风力机叶片的受力特点设计强度与刚度。风力机叶片主要是纵向受力，即气动弯曲和离心力，气动弯曲荷载比离心力大得多，由剪切与扭转产生的剪应力不大。复合材料由于主要承力组分是纤维，可将纤维主要铺放在叶片的纵向，这样就可减轻叶片的重量；②翼型容易成型，并达到最大气动效率。为了达到最佳气动效果，叶片具有复杂的气动外形。在风轮的不同半径处，叶片的弦长、厚度、扭角和翼型都是不同的，如用金属制造十分困难。GRP叶片可实现批量生产；③叶片使用20年，要经受10（8次方） 次以上疲劳交变，因此材料的疲劳性能要好。GRP疲劳强度较高，缺口敏感性低，内阻尼大，抗震性能较好，是制作叶片的理想材料；④GRP耐腐蚀性好。风力机安装在户外，近年来又大力发展离岸风电场，风力机安装在海上，风力机组及叶片要受到各种气候环境的影响。它应具有耐酸、碱、水汽的性能。