刘海涛

　　风能是一种可再生的清洁能源，它蕴量巨大，分布广泛。由于全球气候变暖以及石化能源资源的急剧减少，利用风能发电已成为世界各国密切关注的对象。而我国的风能发电电量也在逐年增加，目前已占世界风能发电能力的1/3，预计在2020 年前就能达到超过风能发电量15 万MW 的目标。 

　　风力发电机组是一种将风能转换为电能的能量转换装置，它包括风力机和风力发电机两大部分。风力发电装置的关键是转子，转子的关键则是叶片，风力发电转子叶片涉及气动、复合材料结构、工艺等领域，是保证机组正常稳定运行的重要因素，其成本占风力发电整个装置成本的15%-20%。因此，材料以及制备工艺的选择对风力发电转子叶片十分重要。而叶片的设计形状和采用的材料决定着风力发电装置的性能和功率。依据“风机功价比法则”，风力发电机的输出功率与叶片长度的平方成正比，因而增加叶片长度是提高风力发电机单机容量的基本方法，但是，风力发电机的体积和质量与叶片长度的立方成正比，这就意味着随着叶片长度的增加，风力发电机造价的增长幅度比它的输出功率增加的幅度要快。也就是说，风力发电机的单机容量在理论上、在技术、经济上都比较可以接受的情况下有一个基本确定的值，这个数值目前尚没有人计算出来。在兆瓦级风电机组中，如1MW的叶片长度为31m，每片重约4t-5t；1.5MW主力机型风力机叶片长度为34m-37m，每片重约6t；目前商业化风力发电所用的电机容量一般为1.5MW-2.0MW，与之配套的复合材料叶片长度大约为32m-40m，重6t- 8t；现代的54m大型叶片重13t。2009年，75m长的叶片被制造出来，目前也有人在研究、设计100m长的风力发电机叶片。 

　　因此，叶片的设计和选材对提高叶片的综合性能、降低发电成本起着重要的作用。作为风力机叶片材料，必须具有原材料来源广泛、价格低廉等优点。人们对高性能、低成本的叶片材料的探索应用经历了漫长的时期。 

　　由于技术发展的局限性，20世纪70年代的风力机叶片主要由木材、钢材或铝材等传统叶片材料制成，不过由于种种原因，这些材料都没有得到大范围的使用。 

　　木制叶片曾应用于近代的微、小型风力发电机中，但由于其不易做成扭曲型，大、中型风力发电机中很少用木制叶片。随着其它叶片材料的探索及发展，木质叶片逐渐被其它材料代替。 

　　合金钢因为其价格低廉，易加工成细长的形状，并且可以按照翼型的形状来成形， 曾经被认为是风力机叶片的首选材料。但是由于它的密度较大，抗疲劳性能差，易腐蚀，难以加工成扭曲形状，慢慢被其它材料替代。 

　　铝合金密度较低，常用于制造等弦长叶片，通过挤压成型工艺便可制成等弦长叶片，工艺简单，可连续生产，又可按设计要求的扭曲进行扭曲加工，但关键技术问题尚未有突破，不能做到从叶根至叶尖渐缩的叶片，而且铝合金叶片的抗疲劳性能不佳。因此，这类叶片也没有得到广泛地使用。 

　　随着风力发电机功率的不断提高，风机叶片呈大型化发展趋势，质量也随之不断增大，对叶片材料的要求也越来越高。复合材料由于具有体重轻、比强度高、良好的抗疲劳、抗蠕变、抗冲击等优点成为当今风机叶片的首选材料。 

　　首先是玻璃纤维复合材料的出现：玻璃纤维复合材料，其基体材料为不饱和聚酯树脂（UPR）和环氧树脂（EPR），无碱玻璃纤维（E2玻纤）是主要增强材料。 

　　玻璃纤维是在不饱和聚酯树脂（UPR）复合材料中应用最广泛的增强纤维。玻纤具有耐化学性能好、成本低、拉伸强度高和绝缘性能优异等优点。与许多传统结构材料如钢和铝相比，UPR/玻纤复合材料具有质量轻、强度高的优点。而UPR基体的作用是将负荷从基体转移到增强玻纤，将应力分布到每个增强单元，保护增强材料免受环境的攻击，并起到将增强材料定位的作用。近30 年来，UPR/玻纤复合材料的应用得到了持续发展。作为另一类玻璃纤维复合材料基体的环氧树脂（EPR）是优良的热固性树脂，它与目前大量应用的不饱和聚酯树脂（UPR）相比， 具有更优良的力学性能、电绝缘性、耐化学药品性、耐热性和粘结性能。EPR/玻纤复合材料是目前研究比较成熟、应用最广的一种复合材料。EPR/玻纤复合材料具有强度高、质量轻、耐腐蚀性好、电性能优异、原料来源广泛、工艺性好、生产效率高等优点，并具有较好的材料可设计性。 

　　不过随着风力发电的发展，风电机组对材料的要求也越来越高，玻璃纤维复合材料暴露出一系列的缺点，例如弹性模量和层间剪切强度比较低，长期耐温性差，容易老化，特别是材料的质量密度还比较大。随着发电机组向大型化发展风机的叶片长度不断增加，越来越重的叶片不仅影响了风电机组的运行性能和转换效率， 而且对发电机和塔座也提出了更苛刻的要求。玻璃纤维复合材料材料已经不能够满足风电机叶片的需要了。 

　　这时，碳纤维复合材料登上了风机叶片的舞台。在碳纤维复合材料中，碳纤维是由有机母体纤维（粘胶丝、聚丙烯睛或沥青等）采用高温分解法在高温的惰性气体下碳化制成的，具有强度大、密度低、模量高、线膨胀系数小等特点，是一种力学性能优异的材料。碳纤维复合材料具有刚度强、质量轻等一系列优异特性，研究表明， 碳纤维复合材料叶片刚度是玻璃纤维复合叶片的2-3倍。当叶片长度为34m 时，UPR/玻纤复合材料叶片质量为5800kg；EPR/玻纤复合材料叶片质量为5200kg，减轻质量600kg; 而碳纤维增强EPR叶片，质量为3800kg，又可减轻质量2000kg。由此可见， 叶片材料发展的趋势是采用碳纤维增强EPR复合材料，特别是随着功率的增大，要求叶片长度增加，更需采用碳纤维增强环氧树脂复合材料。同时，碳纤维的抗疲劳性能也优于玻璃纤维复合材料，叶片质量的减小和刚度的增加，改善了叶片的空气动力学性能，降低了叶片对机塔和轮轴的负载，风机的输出功率更平滑更均衡、运行效率更高。 

　　从材料性能角度来看，碳纤维复合材料应当成为大型风力机叶片的首选材料，但是目前碳纤维复合材料的价格昂贵，进一步推广应用受到制约，目前只能采用碳纤维/玻璃纤维混杂增强的方案，在叶片的一些关键部位如横梁、叶片的前后边缘或者叶片的表面上用碳纤维复合材料加强。采用这种方法可以大大减轻叶片的重量同时大大提高叶片的机械性能，制造成本增加也不多。 

　　上述两种复合材料，玻璃纤维复合材料和碳纤维复合材料中的树脂大多采用热固性环氧树脂和不饱和聚酯，叶片替换下来后不能回收利用难以处置加重了环境负担。采用热塑性复合材料制造叶片，叶片报废后可以回收利用，是一种绿色材料，因此受到关注。与此同时热塑性复合材料质量更轻、抗冲击性能更好、生产周期也比较短，采用热塑性复合材料制作的大型叶片重量，可比采用热固性复合材料的玻璃纤维/环氧树脂复合材料制作减少10 % ，抗冲击性能也有大幅度提高，制造周期至少降低1/3 。但目前该类复合材料的制造成本较高，限制了在风力发电叶片的进一步应用，不过随着对热塑性复合材料研究的深入，相信热塑性材料的价格将不断降低。 

　　可见，风力叶片材料发展到现在，性能和成本这对欢喜冤家之间的矛盾暂时还未得到完全的解决。但相信随着科技的进步，必然能在保证性能的前提下降低材料的成本，从而生产出高性价比的风机叶片材料。我们需要这样的材料，毕竟，风车转得快，全靠叶片带。 

　　参考文献： 

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　　陈绍杰等。复合材料与风力机叶片。玻璃钢/复合材料，2008, [2]: 42-46. 

　　刘麟。风力发电机的叶片材料与制造工艺。科技资讯，2010, [21]:150.