風(fēng)電的價(jià)格和風(fēng)機(jī)功率成反比， 風(fēng)機(jī)功率越大，單位發(fā)電成本越低（表1）。隨著現(xiàn)代風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展及日趨成熟，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組研究沿著增大單機(jī)容量、減輕單位千瓦質(zhì)量、提高轉(zhuǎn)換效率的方向發(fā)展。上世紀(jì)80年代早期到中期，典型的風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量僅20～60 kW；90年代初期， 增加到500 kW；90年代中期， 為750 kW~1 MW；90年代末， 已達(dá)到2.5 MW；目前世界平均單機(jī)容量為1 MW，最大單機(jī)容量為5 MW。預(yù)計(jì)2010年將開發(fā)出單機(jī)容量為10 MW 的風(fēng)電機(jī)組。

       葉片是風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵部件之一， 涉及氣動(dòng)、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、工藝等領(lǐng)域。葉片的長度和風(fēng)機(jī)的功率成正比，風(fēng)機(jī)功率越大，葉片越長。對于500 kW~2.5 MW的風(fēng)力機(jī)， 葉片長13.5~39.0 m （丹麥LMGlasfiber公司制造）；660 kW~1.65 MW的風(fēng)力機(jī)，葉片長23~39 m （丹麥Vestas Wind Systems AS制造）。在兆瓦級風(fēng)電機(jī)組中，如1 MW的葉片長31 m，每片重約4~5 t；1.5 MW 主力機(jī)型風(fēng)力機(jī)葉片長34～37 m，每片重約6 t；目前商業(yè)化風(fēng)力發(fā)電所用的電機(jī)容量一般為1.5~2.0 MW，與之配套的復(fù)合材料葉片長度大約32~40 m，重6~8 t；現(xiàn)代的54 m大型葉片重l3 t?，F(xiàn)今世界上最大5 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片長61.5 m，單片葉片的質(zhì)量接近18 t，旋轉(zhuǎn)直徑可達(dá)126.3 m。

                       表1 不同風(fēng)葉尺寸、風(fēng)機(jī)功率下的風(fēng)電成本對比表

      葉片也是風(fēng)機(jī)中成本最高的部件，雖然它的質(zhì)量不到風(fēng)機(jī)質(zhì)量的15%。卻占風(fēng)機(jī)成本的15%～20%。風(fēng)葉類似于航空葉片， 要求提高“提升比”（Lift-to-drag ratio），并且其提升特性不易受葉片表面污染和粗糙度影響。從結(jié)構(gòu)考慮要求葉片有較厚的葉型。葉片要經(jīng)受20 a應(yīng)用，以經(jīng)受風(fēng)力造成的疲勞次數(shù)達(dá)108（也有以500萬次作標(biāo)準(zhǔn)）作標(biāo)準(zhǔn)。隨著風(fēng)機(jī)功率的增加，風(fēng)葉尺寸也相應(yīng)增加。表1所示為不同年份風(fēng)機(jī)功率、風(fēng)葉尺寸和風(fēng)電價(jià)格的變化趨勢[1-3]。

       當(dāng)葉片長度增加時(shí)， 質(zhì)量的增加要快于能量的提取，因?yàn)橘|(zhì)量的增加和風(fēng)葉長度的立方成正比（圖1），而風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電能和風(fēng)葉長度的平方成正比。同時(shí)隨著葉片長度的增加， 對增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和剛度等性能提出了新的要求， 玻璃纖維在大型復(fù)合材料葉片制造中逐漸顯現(xiàn)出性能方面的不足。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。減輕葉片的質(zhì)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)。國外專家認(rèn)為：“由于現(xiàn)有材料能很好滿足大功率風(fēng)力發(fā)電裝置的需求，玻璃纖維復(fù)合材料性能已經(jīng)趨于極限， 因此，在發(fā)展更大功率風(fēng)力發(fā)電裝置和更長轉(zhuǎn)子葉片時(shí)，采用性能更好的碳纖維復(fù)合材料勢在必行。”他們認(rèn)為當(dāng)風(fēng)力機(jī)超過3 MW、葉片長度超過40 m時(shí)，葉片制造時(shí)采用碳纖維已成為必要的選擇。事實(shí)上，當(dāng)葉片超過一定尺寸后， 碳纖維葉片反而比玻璃纖維葉片便宜，因?yàn)椴牧嫌昧?、勞?dòng)力、運(yùn)輸和安裝成本等都下降了[4]。
     

       目前國外把碳纖維用于葉片制造的廠家主要有：

    （1） 丹麥LM Glassfiber“未來”葉片家族中61.5 m長、5 MW風(fēng)機(jī)的葉片在梁和根部都選用了碳纖維。

    （2） 德國葉片制造商N(yùn)ordex Rotor新制造的56 m長，5 MW風(fēng)機(jī)葉片的整個(gè)梁結(jié)構(gòu)也采用了碳纖維，他們認(rèn)為葉片超過一定尺寸后， 碳纖維葉片的制作成本并不比玻璃纖維的高。

    （3） Vestas Wind System 在他們制造的44 m長、V-90 3.0 MW風(fēng)電機(jī)中的葉片的梁采用了碳纖維。2004 年12 月Zoltek Companies Inc. 宣布與Vestaswind Systems AS公司訂立長期戰(zhàn)略合同，在前3 a提供價(jià)值8千萬到1億美元的碳纖維用于制造風(fēng)機(jī)葉片；Zoltek Companies Inc在股東大會(huì)上宣布對NEGMicon的碳纖維合同將比每年150 t增加1倍。同時(shí)每年分別向Vestas和Gamesa各提供1 000 t， 所用牌號(hào)為Panex33 48K。

    （4） 西班牙Gamesa在他們旋轉(zhuǎn)直徑為87 m(G87)和90 m(G90) 2 MW的風(fēng)機(jī)的葉片中采用了碳纖維／環(huán)氧樹脂預(yù)浸料。

    （5） NEG Micon在40 m的葉片中采用了碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂。

    （6） 德國Enercon GmbH在他們的大型葉片的制造中也使用了碳纖維。

    （7） 華盛頓的Kirkland公司和TPI Composites公司合作，發(fā)展碳纖維風(fēng)機(jī)葉片，以求得最大的能量獲得，同時(shí)減輕風(fēng)機(jī)的負(fù)載。方案通過對30~35 m長葉片的設(shè)計(jì)， 制造和測試證明先進(jìn)的碳纖維混編設(shè)計(jì)葉片的商業(yè)化的可行性。碳纖維在風(fēng)葉中的應(yīng)用在逐年增加（圖2）。
     

      由于碳纖維比玻璃纖維昂貴， 采用百分之百的碳纖維制造葉片從成本上來說是不合算的。目前國外碳纖維主要是和玻璃纖維混和使用，碳纖維只是用在一些關(guān)鍵的部分。碳纖維在葉片中應(yīng)用的主要部位有（圖3）：

    （1） 橫梁（Spar），尤其是橫梁蓋（Spar Caps）。

    （2） 前后邊緣，除了提高剛度和降低質(zhì)量外，還起到避免雷擊對葉片造成損傷（專利US6457943B1）的作用， 如圖3中涂黑的部分采用碳纖維（專利EP1485611）。

    （3） 葉片的表面，采用具有高強(qiáng)度特性的碳纖維片材（日本專利JP2003214322）。
    

     (1) 提高葉片剛度，減輕葉片質(zhì)量

碳纖維的密度比玻璃纖維小約30%， 強(qiáng)度大40%，尤其是模量高3~8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)。荷蘭戴爾弗理工大學(xué)研究表明， 一個(gè)旋轉(zhuǎn)直徑為120 m的風(fēng)機(jī)的葉片， 由于梁的質(zhì)量超過葉片總質(zhì)量的一半， 梁結(jié)構(gòu)采用碳纖維， 和采用全玻璃纖維的相比，質(zhì)量可減輕40%左右；碳纖維復(fù)合材料葉片剛度是玻璃纖維復(fù)合材料葉片的2倍。據(jù)分析，采用碳纖維／玻璃纖維混雜增強(qiáng)方案， 葉片可減輕20％～30％。Vesta Wind System 公司的V90 3 MW發(fā)電機(jī)的葉片長44 m，采用碳纖維代替玻璃纖維的構(gòu)件，葉片質(zhì)量與該公司V80 2 MW發(fā)電機(jī)且為39 m長的葉片質(zhì)量相同。同樣是34 m長的葉片，采用玻璃纖維增強(qiáng)聚脂樹脂時(shí)質(zhì)量為5 800 kg，采用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂時(shí)質(zhì)量為5 200 kg，而采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂時(shí)質(zhì)量只有3 800 kg。其他的研究也表明，添加碳纖維所制得的風(fēng)機(jī)葉片質(zhì)量比采用玻璃纖維的輕約32%， 而且成本下降約16%。圖4為完全碳纖維葉片和目前歐洲商業(yè)化的葉片質(zhì)量比較圖。
     

     (2) 提高葉片抗疲勞性能

風(fēng)機(jī)總是處在條件惡劣的環(huán)境中， 并且24 h處于工作狀態(tài)。這就使材料易于受到損害。相關(guān)研究表明， 碳纖維合成材料具有出眾的抗疲勞特性，當(dāng)與樹脂材料混合時(shí)，則成為了風(fēng)力機(jī)適應(yīng)惡劣氣候條件的最佳材料之一。

    （3）使風(fēng)機(jī)的輸出功率更平滑更均衡,提高風(fēng)能利用效率使用碳纖維后，葉片質(zhì)量的降低和剛度的增加改善了葉片的空氣動(dòng)力學(xué)性能，減少對塔和輪軸的負(fù)載，從而使風(fēng)機(jī)的輸出功率更平滑更均衡，提高能量效率。同時(shí)，碳纖維葉片更薄，外形設(shè)計(jì)更有效，葉片更細(xì)長，也提高了能量的輸出效率。

    （4）可制造低風(fēng)速葉片

碳纖維的應(yīng)用可以減少負(fù)載和增加葉片長度，從而制造適合于低風(fēng)速地區(qū)的大直徑風(fēng)葉，使風(fēng)能成本下降。

    （5）可制造自適應(yīng)葉片（“self-adaptive” blade）

葉片裝在發(fā)電機(jī)的輪軸上， 葉片的角度可調(diào)。目前主動(dòng)型調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)（active utility -size windturbines）的設(shè)計(jì)風(fēng)速為13~15 m/s (29~33 英里/h)，當(dāng)風(fēng)速超過時(shí)， 則調(diào)節(jié)風(fēng)葉斜度來分散超過的風(fēng)力，防止對風(fēng)機(jī)的損害。斜度控系統(tǒng)對逐步改變的風(fēng)速是有效的。但對狂風(fēng)的反應(yīng)太慢了，自適應(yīng)的各向異性葉片可幫助斜度控制系統(tǒng)（the pitch control system），在突然的、瞬間的和局部的風(fēng)速改變時(shí)保持電流的穩(wěn)定。自適應(yīng)葉片充分利用了纖維增強(qiáng)材料的特性，能產(chǎn)生非對稱性和各向異性的材料，采用彎曲/扭曲葉片設(shè)計(jì)，使葉片在強(qiáng)風(fēng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)可減少瞬時(shí)負(fù)載。美國Sandia NationalLaboratories致力于自適應(yīng)葉片研究，使1.5 MW風(fēng)機(jī)的發(fā)電成本降到4.9美分/(kW·h)，價(jià)格可和燃料發(fā)電相比。

    （6）利用導(dǎo)電性能避免雷擊

利用碳纖維的導(dǎo)電性能， 通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可有效地避免雷擊對葉片造成的損傷。

    （7）降低風(fēng)力機(jī)葉片的制造和運(yùn)輸成本

由于減少了材料的應(yīng)用，所以纖維和樹脂的應(yīng)用都減少了，葉片變得輕巧，制造和運(yùn)輸成本都會(huì)下降?？煽s小工廠的規(guī)模和運(yùn)輸設(shè)備。

    （8）具有振動(dòng)阻尼特性

碳纖維的振動(dòng)阻尼特性可避免葉片自然頻率與塔暫短頻率間發(fā)生任何共振的可能性[5-7]。

      碳纖維應(yīng)用有以下主要問題需要解決：

    （1） 碳纖維是一種昂貴纖維材料，在碳纖維應(yīng)用過程中，價(jià)格是主要障礙，價(jià)比影響了它在風(fēng)力發(fā)電上的大范圍應(yīng)用。

    （2） CFRP比GFRP更具脆性，一般被認(rèn)為更趨

于疲勞，但是研究表明，只要注意生產(chǎn)質(zhì)量的控制以及材料和結(jié)構(gòu)的幾何條件，就足以保證長期的耐疲勞。

    （3） 直徑較小的碳纖維表面積較大，復(fù)合材料成型加工浸潤比較困難。由于碳纖維葉片一般采用環(huán)氧樹脂制造，要通過降低環(huán)氧樹脂制造的黏度而不降低它的力學(xué)性能是比較困難的，這也是一些廠家采用預(yù)浸料工藝的原因。此外碳纖維復(fù)合材料的性能受工藝因素影響敏感（如鋪層方向），對工藝要求較高。

    （4） 碳纖維復(fù)合材料透明性差，難以進(jìn)行內(nèi)部檢查。

      碳纖維在大型葉片中的應(yīng)用已成為一種不可改變的趨勢。目前，全球各大葉片制造商正在從原材料、工藝技術(shù)、質(zhì)量控制等各方面進(jìn)行深入研究，以求降低成本，使碳纖維能在風(fēng)力發(fā)電上得到更多的應(yīng)用?？赏ㄟ^如下的途徑來促進(jìn)碳纖維在力發(fā)電中的應(yīng)用。

     (1) 用碳纖維代替玻璃纖維

      葉片尺寸越大，相對成本越低。碳纖維更適于3 MW（40 m）以上，尤其是5 MW以上的產(chǎn)品。因?yàn)椴牧嫌昧肯陆?，才能比玻璃纖維葉片更便宜。另外可采用從瀝青制造的低成本碳纖維，這種碳纖維的價(jià)格可以降到每磅5美元的心理價(jià)位。下一代采用輕質(zhì)、高性能碳纖維葉片的5~10 MW風(fēng)力機(jī)，設(shè)計(jì)更加可靠，市場競爭力也更強(qiáng)。

      (2) 采用特殊的織物混編技術(shù)

      根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)要求，把碳纖維鋪設(shè)在剛度和強(qiáng)度要求最高的方向，達(dá)到結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。如TPI公司采用碳纖維織物為800 g 3軸向織物（triaxialfabric），由1層500 g 0° T-600碳纖維夾在2層150 g成±45°的玻纖織物內(nèi)。對于原型葉片中， 碳纖維成20°，玻纖層的3軸向織物為+65°和-25°，這種方向的鋪層可充分地控制剪切負(fù)載。旋轉(zhuǎn)織物意味著織物邊沿和葉片方向成20°， 逐步地引入旋轉(zhuǎn)耦合部件（the twist-coupling component）。

      (3) 采用大絲束碳纖維

      葉片生產(chǎn)中，采用大絲束碳纖維可達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的。如一種新型丙烯酸碳纖維（美國專利US6103211），該發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)度的碳纖維，這種碳纖維適用于風(fēng)力機(jī)葉片材料等與能源相關(guān)的設(shè)備。

      (4) 采用新型成型加工技術(shù)

      在目前的生產(chǎn)中，預(yù)浸料和真空輔助樹脂傳遞模塑工藝已成為2種最常用替代濕法鋪層技術(shù)；對于40 m以上葉片， 大多數(shù)制造商采用VARTM技術(shù)。但VESTAS和GAMESA仍使用預(yù)浸料工藝。技術(shù)關(guān)鍵是控制樹脂粘度、流動(dòng)性、注入孔設(shè)計(jì)和減少材料孔隙率。在大型葉片制造中，由于碳纖維的使用，聚酯樹脂已被環(huán)氧樹脂替代。利用天然纖維－熱塑性樹脂制造的“綠色葉片”近年來也倍受重視，如愛爾蘭的Gaoth公司已負(fù)責(zé)制造12．6 m長的熱塑性復(fù)合材料葉片，Mitsubishi (三菱)公司將負(fù)責(zé)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上進(jìn)行“綠色葉片的試驗(yàn)”。如果試驗(yàn)成功后，他們將繼續(xù)研究開發(fā)30 m以上的熱塑性復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)葉片。為了降低模具成本，減輕模具重量，大型復(fù)合材料葉片的制造模具也逐漸由金屬模具向著復(fù)合材料模具轉(zhuǎn)變，這也意味著復(fù)合材料葉片可以做得更長。另外，由于模具與葉片采用了相同的材料，模具材料的熱膨脹系數(shù)與葉片材料基本相同，制造出的復(fù)合材料葉片的精度和尺寸穩(wěn)定性均優(yōu)于金屬模具制造的葉片產(chǎn)品[8-9]。

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