核心提示：　　1國外風能發(fā)展概況據統(tǒng)計，全球風能資源在500000TW*h/年。考慮到社會、地理環(huán)境等因素，實際可開發(fā)的風能資源約為總的風能資源的1/10.風電起源于20世紀70年代，由于受環(huán)境與能源的雙重壓力

　　1國外風能發(fā)展概況據統(tǒng)計，全球風能資源在500000TW*h/年。考慮到社會、地理環(huán)境等因素，實際可開發(fā)的風能資源約為總的風能資源的1/10.風電起源于20世紀70年代，由于受環(huán)境與能源的雙重壓力，美國政府對發(fā)展風電給予一系列優(yōu)惠政策，推動了風電的發(fā)展，也使人們開始真正認識了風電。風電技術成熟于80年代，由于許多國家相繼成立了風電科研機構與開發(fā)部門，風力機單機容量成倍增加，其可利用率也提高到95%以上，使得風力機達到實用化目標。并網型風力機從80年代的20~50kW，到90年代的500~800kW.90年代中期1~2MW風力機樣機研制成功，并投人商品化運行。目前3 ~6MW樣機也研制成功，將主要用于海上風場。風電的投資主體發(fā)生了較大變化。國家、地區(qū)、電力部門、金融機構、財團等紛紛集資用于風電開發(fā)建設。全世界風電每年以30%的速度增長。世界年累計裝機容量由所示。

　　從世界范圍來看，德國風力發(fā)電位于世界之首，累計裝機容量6107MW.美國總裝機容世界年累計裝機容量前4位最大制造商在1998年占據市場份額70%.根據丹麥風力機制造商協(xié)會統(tǒng)計，1998年丹麥制造商生產1210MW風力機，產值10億美元。推測全球風力機制造企業(yè)銷售20億美元。90年代風力機制造業(yè)平均年增長率達30%，今后若干年也將有相同的增長率。風力機制造業(yè)是世界增長率最快的行業(yè)之一。

　　2我國風能發(fā)展概況我國風能資源極其豐富。理論儲量為16億kW，全國可開發(fā)利用的風能資源總量為2.53億kW，大于我國的水能資源。根據資源、土地、交通、電網等條件確定近期具備開發(fā)條件的風場約50個，分布在全國11個省，其中新疆達坂城、內蒙輝騰錫勒、河北張北、吉林通榆、上海崇明、廣東南澳等地均具備裝機100MW的條件。自70年代起，為了解決西部草原牧區(qū)、東部海島及邊遠山區(qū)的用電問題，國家鼓勵開發(fā)獨立式小型風力機。國內各風電科研機構主要從事小型風力機的研制開發(fā)，并形成相當規(guī)模。目前國內擁有這類風力機18萬臺，為電網不能達到的地區(qū)的60萬居民解決了用電問題。我國小型風力機的生產能力、生產量、社會保有量均為世界之首。

　　1993年我國明確提出了要將風電作為一個產業(yè)來抓，％年國家制訂了“乘風”計劃。此計劃旨在通過組建合資企業(yè)，引進技術，通過消化吸收，達到自主開發(fā)、自行設計制造大型風力機。屆家又制訂了“光明工程”，開發(fā)利用可再生能源，包括風能，為遠離電網的地區(qū)提供電能。由于政府的支持，90年代中后期，我國的風能達到了長足的發(fā)展，風電場數(shù)量與規(guī)模逐步擴大，在建設、運行、管理等方面都取得了許多成功經驗，初步具備了規(guī)模性開發(fā)建設風電的能力和條件。目前全國有十幾家公司從事風電場的建設、開發(fā)運量為2610MW，丹麥2341MW，西班牙2836MW.歐洲的風電占世界的75%.根據規(guī)劃，2010年全歐裝機容量要達到40，000MW，2020年達到100，000MW.丹麥計劃到2030年，可再生能源包括風能可供全國40 ~50%的電力消耗。在過去的20年里，風力機工業(yè)發(fā)展成專業(yè)的高技術產業(yè)。風力機制造商集中在少數(shù)公司，大多數(shù)為歐洲公司。為世界10大風力機制造商2000年累計產量。

　　營。建成規(guī)模不等的風電場20多個，裝機容量已超過400MW.為中國年累計裝機容量。

　　根據規(guī)劃，到2005年全國累計裝機容量要達到1500MW，2006 ~2010年裝機容量達到4000MW，2011~2015年累計全國裝機容量達到7000MW. 3葉片技術進展隨著風力機單機容量的不斷增大，葉片長度也隨之增大。由200KW風力機葉片10m長度增加到600KW的21m長度。1~2MW風力機葉片長30~40m.目前最長的葉片長60m左右。葉片長度增加，極大增加了葉片設計、材料、制造的難度。故大型葉片技術的進展是設計、材料、工藝、裝備綜合技術的進展。

　　風電的發(fā)展除在裝機容量上有較大的增長，在技術上有十分明顯的發(fā)展。從功率調節(jié)上當前世界上主要流行4種技術：定獎距失速控制、變槳距、主動失速控制、變速恒頻。當前MW級風力機大多采用變速恒頻技術。風力機不同調節(jié)方式對葉片的氣動設計乃至葉片結構均有特殊要求。葉片是風力機的關鍵部件之一，涉及氣動、復合材料結構、工藝等領域，尤其MW級大型復合材料葉片的設計制造難度很高。故其價格要占機組的18~22%左右。在國外葉片是專業(yè)化生產的，集中在幾家專業(yè)公司生產。最著名的葉片公司是丹麥的LM公司，至2000年已生產6萬片葉片，當年生產7200片葉片，占居世界市場的45%，在全世界有12個工廠，有雇員2200人，并有全球的銷售服務網絡。在本部有一支專業(yè)從事葉片研發(fā)的部門，主要課題有葉片結構動力學、雷擊、氣動、結構測試等。世界十大風力機制造商之一的Vesta則為自己配套生產葉片，其風力機占據世界市場的17%.德國的NOI主要生產MW級風力機葉片。近年來這種由專業(yè)化葉片生產商壟斷的局面正在被打破。一些著名的風力機制造商開始自己生產葉片，如Nodex生產1.5MW變獎距葉片，其他大公司如Bonus、Game8e、Enercon等也在研發(fā)MW級葉片。

　　我國在玻璃鋼葉片設計與制造技術方面與國外有一定的差距。葉片技術是風力機的關鍵技術，國外大公司輕易不肯轉讓技術或合作生產。為使玻璃鋼葉片能國產化，政府有關部門很重視葉片的研發(fā)，把葉片列人攻關項目予以支持。攻關項目有“七五”“小型風力機玻璃鋼葉片系列研究”，“八五200KW風力機玻璃鋼葉片研制九五"*300KW風力機玻璃鋼葉片研制”，科研院所專項資金*660KW風力機玻璃鋼葉片產業(yè)化“。”十五“期間，國家把MW級風力機研制列為*863*項目，包括1.3MW定槳距失速控制風力機、1MW、1.5MW變速恒頻風力機。配套的葉片列為專項子課題。經過多年的攻關，我國已研發(fā)了200~750KW系列大型風力機玻璃鋼葉片，形成了批童生產，為風力機國產化奠定了基礎。

　　4葉片技術方面的若干問題氣動設計包括風輪氣動外形設計及氣動性能計算。根據風力機總體性能要求確定風輪直徑、葉片數(shù)、轉速，葉片弦長、葉厚、扭角分布。氣動外形設計可采用Wilson的氣動性能優(yōu)化理氣動外形。理論設計外形需結合考慮葉片構造、工藝要求進行修正。當氣動外形確定后，可進行氣動性能計算。對于定槳距失速控制風力機組，應得到不同安裝角的風輪輸出功率、Cp值、推力等參數(shù)，以確定葉片初始安裝角及風輪失速性能。對于變距變速風輪，要計算不同安裝角及不同轉速的風輪性能，以確定風輪運行調節(jié)方式。風力機葉片由傳統(tǒng)的NACA44、NACA230翼型發(fā)展為風力機專用翼型，如NACA63、FX77、NREL-S等。這些翼型有較篼的升阻比，氣動性能對葉片表面污染不敏感。我國還沒有自己開發(fā)的風力機翼型，均采用國外的。由于沒有收集到完整的有關翼型的氣動性能數(shù)據，給葉片氣動設計帶來較大的影響。

　　商品化的大型風力機葉片有典型的結構形式。葉片根端形式主要有膠接金屬法蘭，如Vestas生產的葉片；膠接金屬螺栓，如LM的葉片；T型螺栓，如NOI、Aerpac生產的葉片。上述形式的根端具有較篼的承載力，根端過渡段曲線柔和，重量也較輕，一改翻邊法蘭的笨重外觀。葉片剖面基本上采用蒙皮加主梁的構造形式。主梁可采用整體箱型梁形式，如Vestas葉片，或用雙槽鋼形式，如LM葉片，或用加強肋結構。在剖面前、后緣空腹處，根據穩(wěn)定計算確定是否采用夾層結構。葉片上大部彎曲荷載由主梁承擔，蒙皮起氣動外形作用，并可承擔部分荷載。這種剖面構造可以減輕葉片重量，提篼葉片的強度與剛度，避免葉片由彎曲產生的局部失穩(wěn)。葉片蒙皮通常采用氈或雙向織物增強，主梁用單向程度較高的織物增強，以提高強度與剛度，夾芯材料可采用PVC泡沫或Balsa木。隨長度增加，玻璃鋼葉片重量增加很大，葉片重童與風輪半徑近似有R29關系，如40m長葉片單片葉片重10T，50m長葉片單片葉片重16T.葉片重量增加，加大了由葉片自重產生的疲勞荷載，也增加了機組其他部件的荷載。為減輕葉片重量，可采用碳/*纖混雜增強葉片，如用碳纖維增強主梁，或全碳纖維增強葉片。國外有專家指出，葉片大于40m，應采用碳纖維，但LM公司認為即使更大的葉片，理論上也可采用玻璃鋼，可使用篼性能玻纖/環(huán)氧方案。即使如此，該公司也在進行碳纖維葉片的研究。目前Nodex已開發(fā)了43.8m碳/*纖混雜葉片，重9.6T.Enercon正研發(fā)用于直徑112m風輪碳纖維葉片，該葉片用于4.5MW商用陸上和海上風場。Enron公司、N0I公司Vestas公司也正進行碳纖維葉片的研發(fā)，用于3 ~5MW海上/陸上商用機的應用。據歐美專家分析指出，對于MW級大型風力機葉片，碳/玻纖混雜增強可以降低葉片重量30%，降低成本15%，減少葉尖風輪葉片國家標準及中國船級社關于風力機的認證規(guī)范均要求進行葉片結構試驗，以驗證設計的準確性及制造工藝的質量。結構試驗內容主要為設計荷載下葉片的靜態(tài)強度與剛度、葉片一階揮舞與擺振頻率、疲勞試驗。國外風力機制造業(yè)發(fā)達國家如丹麥、荷蘭、美國，均有國家級葉片測試中心，并獲得政府授權，可進行葉片認證。我國還未建國家級風力機測試中心，葉片的結構試驗在船級社指導下在廠家進行。

　　全尺寸葉片疲勞試驗是重要試驗內容，在實驗室里驗證葉片能否使用20年。根據葉片疲勞荷載譜，在20年使用期，疲勞荷載交變次數(shù)達10*次量級。疲勞加載頻率一般為葉片的一階頻率，對于大型葉片在1Hz左右，故加載速度1~2次/8.為加速疲勞試驗速度，應加大荷載，一般加載次數(shù)達100~500萬次，需2~3個月。試驗荷載譜應根據損傷等效原則確定。我們在實驗室進行了300kW、660kW葉片疲勞試驗，試驗均進行了500萬次，通過了船級社的認證。

　　大型風力機葉片大多采用開模工藝。分別在兩個陰模上成型氣動面與工作面半殼。葉片主梁及其他玻璃鋼部件分別在專用模具上成型，然后膠接組裝成整體葉片。葉片成型工藝由早期的手糊工藝發(fā)展到目前較先進的工藝。如LM公司采用VARTM工藝。應用此項工藝解決了成型大型玻璃鋼構件的系列技術難題。該項工藝技術可提高玻璃鋼纖維含量，增加了強度。Vestas采用預浸料工藝。德國NOI公司采用濕法預浸料工藝。我國玻璃鋼葉片制造廠家由于受市場、技術、資金等方面的影響，大多采用濕法手糊工藝，常溫固化。工藝相對簡單，不需要加溫加壓裝置。隨著我國風電事業(yè)的發(fā)展，市場需要質量更篼的玻璃鋼葉片，采用先進的成型工藝是必由之路。目前國內廠家已開始這方面的研究工作。

　　國際上極大多數(shù)國家要求所安裝的風力機得到認證，以保證其質量。歐盟建議采用IEC標準統(tǒng)一認證規(guī)則和要求。在IEC系列標準中與葉片有關技術標準是IEC1400 -1*風力機系統(tǒng)安全》。此標準規(guī)定了葉片荷載工況、局部安全系數(shù)、檢驗要求等；IEC1400 -23*風輪葉片測量技術“。它規(guī)定了葉片靜態(tài)強剛度測量、頻率測量及疲勞測試方法。我國風力機標準委員會組織制訂了一系列標準規(guī)范，其中關于大型風力機葉片的標準是”風力機組風輪葉片“。該標準基本上參照了IEC標準與勞埃德標準。標準對復合材料葉片的材料選擇、制造工藝、結構設計等方面均作出規(guī)定。中國船級社組織制訂了風力機認證規(guī)范。國家標準及認證規(guī)范的頒布實施使國內生產廠家按國際標準等效的技術要求進行整機及部件的設計、生產與質量控制，使產品能在一個高的起點上參與國內及國際競爭。

　　5在機艙罩及導流罩上應用風力機的重要部件如主軸、變速箱、電機等均安裝在機艙罩內，故機艙罩主要保護設備免受環(huán)境影響，并提供人員安裝維修條件。導流主要用以改善風輪氣動性能。雖然這二部件在機組中技術含量不篼，但風力機制造商對其制造要求很篼，因其外觀質量對制造商的品牌有影響。我曾和Vestas合作為其生產660KW機組用機艙罩、導流罩。在對方專家的指導下，采用對方的技術進行模具及產品制造，目前已能為國內風力機制造商批量生產玻璃鋼機艙及導流罩。

　　6結束語風能是當今世界上發(fā)展得最快的少數(shù)幾個行業(yè)之一。隨著人們對能源危機及環(huán)境問題的日益重視，可以預計今后相當長一段時期內風能將繼續(xù)保持篼速增長，同時也成為玻璃鋼復合材料一個重要的應用領域。