复合材料风电叶片的发展现状及若干问题的对策

1引言
    随着煤、石油、天然气等传统化石能源耗尽时间表的日益临近，风能的开发和利用越来越得到人们的重视，已成为能源领域最具商业推广前景的项目之一，目前在国内外发展迅速。中国2005年冬到2006年春的用电缺口达到了1500万kW，电力增长仍有极大的潜力。而与之对应的现阶段我国的电力构成中，风力发电仅占1%左右^[1]，风力的开发和利用仍有很大的空间，几乎每个省份都有在建或拟建的风电项目^[2]。据国外媒体报道，为取代“911”恐怖袭击中倒塌的世贸双子塔楼而设计的1776英尺高的“自由塔”的楼顶也将设置风力发电机，风力发电在当今世界之热门程度由此可见。
    商业通信公司预测，今后若干年内世界大型风力机市场将会以年20%左右的速率增长，中国的增长速率可能会更快。据估计，2006~2010年之间，我国风电叶片的需求量大约在7000多片，2011~2020年的需求量则将达到惊人的50000片^[3]。巨大的市场前景使得目前风机行业的竞争空前激烈。整机方面，目前国际市场格局已初步成型。2005年全球超过75%的市场份额被丹麦Vestas、西班牙Gamesa、德国Enercon和美国GE WIND四家企业占据，新进入企业的生存空间不大；国内的整机生产企业中，新疆金风、浙江运达、大连重工集团、东方汽轮机厂等几家的市场前景被业界看好，这其中又以新疆金风科技在国内品牌中的市场份额最大。叶片市场的情况与整机基本类似，单是丹麦LM Glasfiber公司一家就占据了国际市场40％以上的份额，其产品被GE WIND、西门子（原丹麦BONUS）、SUZLON、Repower、Nordex等公司全部或部分采用^[4]；另外Vestas和Enercon公司也拥有各自的叶片生产部门。国内的叶片生产企业主要有中航保定惠腾、连云港中复连众复合材料集团等。
2复合材料风电叶片的材料体系及制造工艺
    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，生产开发的难度不大。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10⁸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。
2.1复合材料叶片的材料体系