复合材料风电叶片技术现状及趋向

吴涛

摘 要：本文首先介绍了风力发电的重要性，其次从风力发电叶片的研究、叶片的设计、玻璃纤维和碳纤维所制作的复合材料的风电叶片各自的优缺点及风力发电叶片所存在的问题等几个方面进行论述，最后提出解决的对策以及复合材料风电叶片的未来趋势。

关键词：复合材料；风电叶片；现状；问题；对策

中图分类号：TB33 文献标识码：A

我国作为能源大国，其传统的化石能源，例如煤矿、石油在国际上都占有很大的比例，但是，由于人类不正当的勘察，这些能源也在日渐耗尽，并且这些传统的能源有个很大的缺点，便是环境污染十分严重。因此，风能这样的一种可再生、健康环保的能源，受到了人们的重视。其高效的开发和利用价值，是人们极为看重的。利用风机叶片进行风力发电，变得更加重要。但是在实际操作中，却产生了很大的阻力。

复合材料应用在风力发电中主要依靠的就是转子叶片，这种材料要求的叶片，其运作的条件要求非常高，必须是在环境特别艰难的情况下才可以运行的，传统材料的叶片在风力发电机上，某些性能方面很难满足现在发电的需要，尤其是随着社会的进步，现在风电机组发展的也十分迅速，所以，如何充分利用风电叶片更好地发电，是人们需要研究的课题。

一、风力发电叶片的研究进展

随着科学的不断进步，当前的风力发电技术也取得了很大的提高，具体表现在风电机组的单机容量由以前的0.02MW达到了最大单机容量为5MW。比之前番了几十倍乃至几百倍，这无疑不象征着风力发电叶片技术的进步。风电机组容量的增加，也大大提高了风力发电的效率。为什么要采用复合材料的叶片，众所周知，复合材料的性能具有可设计性，它的刚度和强度也比较适合利用，其次，叶片由于发电的环境十分艰难，这也从另一方面磨炼了它的耐磨性，特别是当这种材料的风力机安装在户外的时候，虽然长期经手风吹日晒，但它的耐候性很好地满足用户的使用。最后在维修方面也不需要有很大的调整。在国内外研究复合材料的风电叶片中，从叶片的设计，叶片的材质都有了很好的建议。

1.风力发电叶片的设计

现代叶片的设计不同于传统结构，为了满足大型化发电机组的需求，提高风能发电的效率，在进行叶片设计的时候，其形状和材质都需要充分考虑。在尺寸上面，复合材料下的风电叶片要求制作的尺寸比传统的叶片要大很多，叶片长度的增加，同时也要考虑到叶片的质量。叶片的材料大部分采用轻型玻璃钢的纤维材料，叶片的形状呈现出翼面的。在叶片尺寸制造上面，要去结构应该合理、技术先进，尤其是整个工艺的制作上，满足大尺寸下轻重量的要求，这样才能降低整个发电力风力发电机组的成本，被更多人所利用。

2.增强材料体系

以前传统上的叶片材料大部分是铝材、钢材、木材之类的，可想而知，这样的叶片怎能抵挡户外的风吹日晒，因此，现代的复合材料下的叶片在材料要求方面，采用玻璃纤维的材料，综合实力，无论是从性能方面、还是耐磨性、耐高温性、抗腐蚀性方面都是一流的，深受欢迎的。而且另一方面，这样的材质在价格上面也是非常合理的，人们不用担心昂贵的价格，所以，很多的厂商，来自世界各地的都喜欢开发这样材料的叶片用在发电机组上，而且还不用担心销量，因为这种复合材料做成的叶片无论是价格上，还是应用在发电机组进行风力发电上，都是极好的，对人类风能的开发也是极为重要的意义。

二、碳纤维在风机叶片上的应用

随着对叶片尺寸要求越来越大，碳纤维这种复合材料也逐渐被众人知悉，碳纤维的刚度大约是玻璃纤维刚度的3倍，而且由碳纤维制成的复合材料的刚度也比玻璃纤维要强大很多。另一方面，在叶片的重量方面，由于叶片的重量在不断地减轻，风力发电机组的成本也不断地降低，以更好地满足人们需要，碳纤维应用在风机叶片上，其叶壳的旋翼状能够很好地减轻叶片的重量，而且也能够很好地保障叶片的质量。国内外的发电机组都是朝着更大规模发展的，这种碳纤维在风电叶片上的应用是越来越广的。

三、碳纤维在风力发电叶片中应用所存在的问题

尽管碳纤维有抗腐蚀、耐高温、高质量、轻重量、强刚度等很多的优点，但是在实际应用上还是不可避免地存在一些问题，例如碳纤维的价格十分昂贵，而且居高不下，有的人认为这样的一种材质不太实用，太贵了；再比如说，在工艺制作上，要求太高，局限性太强，只有一些厂商才符合要求，制作这样的碳纤维；还有，在质量监督方面，碳纤维不像玻璃纤维，由于玻璃纤维是透明的，所以当制作好叶片的时候，很容易看到成品，而碳纤维透明度非常低，所以不容易进行监督控制。另外，碳纤维的韧性也是非常差，这对于制作成品时也是有很大的不利的影响的。以上碳纤维在制作和应用中存在的问题，应该引起制作厂商的深思，找出解决办法，更好地解决，以此更快地在目前越来越大的发电机组中应用。

四、复合材料风电叶片的模具问题

发电机组朝着越来越大型的方向进行发展，这种条件下风电叶片的尺寸制作也越来越大，制作叶片的模具也需要进行改变，模具材料的选择上也需要进行调整，传统的叶片设计所采用的模具是金属的材质，如果在此进出上进行模具大小的改变，很显然是非常困难的。所以为了和复合材料风电叶片保持一致，那么模具上面也采用复合的材料。这样一来，首先在工艺制作上降低了模具制造的难度，其次，也可以和叶片的外形尺寸更好地吻合，最后，在叶片制作周期上，也较之前大大缩短，提高了生产效率。

五、复合材料风电叶片的其他问题

从保护环境的角度看，大力发展风力发电是很有必要的，但是从保护动物上来说，利用复合材料风电叶片进行风力发电，所产生的噪音污染也影响动物的生存，甚至对于濒临灭绝的重点保护动物更是产生很大的威胁。但是，相关政府部门应当制定相关的规章制度，增加这方面的经济扶持和政策引导，正确利用复合材料风电叶片进行风力发电；另外一方面，技术开发人员在开发这种风电叶片的过程中，考虑全面，提高自身技术水平，改进碳纤维在应用中存在的不足，同时较少风力发电所产生的噪音，把这种伤害尽力降到最低，引导人们科学合理的进行风力发电。

结语

通过对复合材料风电叶片进行技术分析，也让我们认识到风能作为一种可再生能源，是很有开发价值的能源，取之不竭，用之不盡，任何一种资源都不是万能的，我们应当正确认识这样的一种新能源，扬长避短，促进我国的风电事业发展越来越强大。

参考文献

[1]马志勇.大型风电叶片结构设计方法研究[D].华北电力大学（北京），2011.

[2]陈杰.风机叶片用复合材料固化工艺的研究[D].上海交通大学，2012.

[3]颜晨，李晓玲，李义全.大型复合材料风电叶片模具整体设计与制造技术[J].玻璃钢/复合材料，2014（5）：69-74.