FRP在大型风力发电机叶片中的应用

　　由于风力发电向大功率、长叶片方向发展，除了要求提高材料的性能之外，叶片结构更要不断地更新设计。比如，为了保证叶片与塔柱的间隙，除了提高叶片材料的刚度外，从设计角度可以在风力作用的反方向将叶片设计成预弯曲外形，然后在风力作用下使预弯曲叶片变直。又如，在叶片结构设计中采用“弯曲·扭转”耦合效应，实现控制载荷和应力，最终达到降低载荷峰值并减少疲劳破坏的目的。
　　目前市场上的风机叶片基本上是预扭结构，这样可以使叶片在工作时能使所有旋转部位都较大的升阻比（升力系数与阻力系数之比）。同时为了工艺方便，基本上都是沿着叶片轴向铺设纤维。
　　“弯·扭”耦合是当今风力发电机FRP叶片结构设计的主要思想。为了提高叶片的性能，很多人提出了沿叶片长度方向偏置一定角度铺设单向CF层，称之为“偏轴CF”，这样可以通过“弯·扭”耦合效应使结构的最大应力方向与CF的铺层方向一致，发挥CF拉抻强度高的优点，提高结构的安全性。但是这种结构设计也带来了一定问题：其一是偏轴纤维铺层比较困难；其二是偏轴纤维会在蒙皮的结合部位发生断层和扭曲，这会大大降低蒙皮粘合后结构的强度，很容易在铺设纤维时产生剪切，这可能会在树脂内产生附加应力，从而使疲劳极限载荷降低。
　　 为了克服偏轴纤维的不利因素，在保留“弯·扭”耦合效应、避免纤维断层的基础上，M Zuteck提出一种新颖的叶片结构形式，采用“扫略式”的结构使叶片尖部在弦线方向有一定扭转角度，使叶片看起来像个“弯刀”状结构。这种结构可在工作时产生弯矩引起一定扭转，以实现控制载荷和应力，最终达到降低载荷峰值并减少疲劳破坏的目的。
　　最近，美国Sandia国家实验室与圣地亚哥Knight＆Carver公司合作，研发设计出一种新型风机叶片。研究人员承诺这种设计将会比目前的设计更有效，而且可以大幅度降低低风速地区的风机能源成本。这种名为“STAR”的叶片的最大特点是叶尖逐渐弯曲。这不同于目前使用的大多数巨大的叶片，是专门为低风速地区设计的。这些低风速地区高空10m处所测的年均风速约为5.8m/s。美国低风速地区很广，这些地区对风能的利用可使风能的可经济利用面积增加20倍。Sandia国家实验室叶片设计研究负责人Tom-Ash-will称，这种设计可以使叶片比传统设计更有弯曲度，从而减少飓风对叶片造成的损坏。
　　4  结语
　　FRP以其轻质、耐腐蚀和高拉伸弹性模量一直是风力发电机叶片最理想的材料。近年来商业化生产的风机叶片尺寸增长迅速，这为风机从自然界中汲取更多能量提供更好的条件。随着风机叶片的大型化，势必寻求叶片的轻量化及长寿化，而GFRP在其强度等性能方面受到限制，因此在GF中加入性能更好的CF是必然趋势。随着全球对绿色能源的需求的不断提高，风电市场逐渐成熟和壮大，FRP在风机叶片上的应用前景也会越来越广。