大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)合材料葉片技術(shù)及進(jìn)展

    風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志是單機(jī)容量的增加。在歐洲，尤其是德國(guó)、丹麥、西班牙，自1997年以來(lái)，風(fēng)力機(jī)組的平均單機(jī)容量已經(jīng)增加了一倍多目前世界平均單機(jī)容量為1MW，主力機(jī)型是1.5～3MW。海上風(fēng)電是風(fēng)電發(fā)展的新領(lǐng)域。歐洲有十多個(gè)國(guó)家計(jì)劃在近海增加裝機(jī)容量2000萬(wàn)kW以上。我國(guó)也將進(jìn)行海上風(fēng)電的開(kāi)發(fā)。第一個(gè)海上風(fēng)電項(xiàng)目的裝機(jī)容量為2萬(wàn)kW，采用8臺(tái)2.5MW機(jī)組。在近海建立風(fēng)電場(chǎng)的主要原因是海上的風(fēng)速相對(duì)較高，大部分海上風(fēng)場(chǎng)的發(fā)電量會(huì)比陸上風(fēng)場(chǎng)高20～40%，其次是減少風(fēng)場(chǎng)對(duì)陸上景觀的影響。為適應(yīng)海上風(fēng)電的需求，制造商已制造出單機(jī)容量為2～5MW的風(fēng)力機(jī)組，與其配套的復(fù)合材料葉片長(zhǎng)40～60m。在未來(lái)10年，還有可能出現(xiàn)大于5MW機(jī)組用的更長(zhǎng)的葉片。丹麥RISOE實(shí)驗(yàn)室新籌建的葉片試驗(yàn)中心能進(jìn)行長(zhǎng)度100m的葉片結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，為今后風(fēng)電技術(shù)發(fā)展做準(zhǔn)備。
    葉片長(zhǎng)度增加勢(shì)必增加葉片的重量。對(duì)10--60m長(zhǎng)度的葉片進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究，發(fā)現(xiàn)葉片重量按長(zhǎng)度的三次方增加。
    葉片重量對(duì)運(yùn)行、疲勞壽命、能量輸出有重要的影響。由于葉片運(yùn)行，重力產(chǎn)生交變荷載，使葉片本身及機(jī)組產(chǎn)生疲勞。葉片減重可相應(yīng)減少輪轂、機(jī)艙、塔架等結(jié)構(gòu)的重量。
    對(duì)于大型葉片，剛度成為主要問(wèn)題。為了保證在極端風(fēng)載下葉尖不碰塔架，葉片必須具有足夠的剛度。減輕葉片的重量，又要滿足強(qiáng)度與剛度要求，有效的辦法是采用碳纖維增強(qiáng)。碳纖維復(fù)合材料的彈性模量是GRP的2～3倍。大型葉片采用碳纖維增強(qiáng)可充分發(fā)揮其高彈輕質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。據(jù)分析，采用碳/玻混雜增強(qiáng)方案，葉片可減重20～30%。目前世界上最大碳/玻混雜風(fēng)力機(jī)葉片是Nodex公司為海上風(fēng)電5MW機(jī)組配套研制的，葉片長(zhǎng)56m。Nodex公司還開(kāi)發(fā)了43m(9.6t)碳/玻葉片，可用于陸上2.5MW機(jī)組。Enercon公司開(kāi)發(fā)了4.5MW風(fēng)力機(jī)組用碳纖維增強(qiáng)葉片。對(duì)于大型葉片是否需用碳纖維增強(qiáng)，目前還有爭(zhēng)議。LM公司開(kāi)發(fā)的60m葉片是GRP的。目前大多數(shù)人認(rèn)為這應(yīng)有一個(gè)臨界尺度，大于此尺度的葉片須使用碳纖維增強(qiáng)。