1前言风力发电作为未来最具有竞争力的能源之一，已越来越受到世界各国的重视。目前，全世界风电机总装机容量为31000MW，并且仍以27%以上的年增长速度迅速增长，2001年风力发电量居世界前四位的国家是：德国8000MW、美国4150MW、西班牙3300MW和丹麦2500MW，世界风力发电机市场几乎也被这几个国家的公司占据。预计到2020年，全世界的风力发电将占全球总电力的10%，总装机容量达12MW.我国幅员辽阔，风能资源丰富，风能理论开发童为32.26亿kW，实际可开发利用量为2.53亿kW，相当于国内水利资源的67%，居世界第三位。在当前常规能源不足的情况下，风能作为一种较为现实的补充能源，加以开发和利用，有重要的经济价值和社会效益。复合材料风机叶片是风力发电机组的关键部件之一，叶片的结构和强度对风力发电机的可靠性起决定作用。由于各种原因，我国在大型风机叶片上的研究和发展与国外还存在一定的差距。发展大型复合材料风机叶片已迫在眉睫。
2发展趋势随着世界风能市场的不断扩大，对风力发电机利用率和发电成本的要求也越来越篼。市场上涌现出一批大功率、大容量的兆瓦级风力发电机，而这些大型机组的出现对复合材料叶片也提出了更篼的要求。目前，复合材料叶片总的发展趋势如下复合材料叶片由航空翼型向风电机翼型发展，随着风机容量不断增大，叶片的长度和厚度也相应增加。同时，为了提高风电机的效率，在制造过程中还要加大叶片的升阻比，且叶片翼形更加复杂。
风力发电机机叶片的两条发展路线，即柔性叶片和刚性叶片。目前，世界上的风电机叶片以刚性的为主，只有美国主张开发高度柔性的变奖矩风力机。叶片和塔架很柔软，如果能解决好结构动力学，其发电成本就可以迅速下降。
（3>在叶片的材料应用方面，新型材料已开始应用于大型的风电机叶片的制造，如高强碳纤维（丹麦NEG-Miam公司），韧性天然纤维（法国ATV公司开始研制）。其总的发展趋势是向低成本、轻质的方向发展，提篼损伤容限和可靠性。
热熔性环氧预浸料、硬质泡沫发泡和多轴铺层技术等。
须进行可靠性、抗疲劳性和抗雷击的检测和评价。
单机容量大型化，应用于大、中型风力机群与电网并网发电运行（即所谓的风电场），以降低风力发电的成本。近年来，大型风机已成为风电市场上的主要产品，出现了从单机容童为1MW到4.5MW等多种机型，整个行业的趋势是向大型化发展。
3叶片材料的选择大型复合材料叶片属于大型复合材料结构件，其具体性能如表1所示。
表1大型复合材料叶片性能型号直径/m切人风速/m8-1工作风速/m-s1最大抗风/m81适用温度/丈风能利用系数叶片材料选择时应考虑有足够的强度，刚度和寿命，良好的可成型性和可加工性。
3.1基体材料目前广泛用于手糊成型的基体材料主要有环氧树脂和聚酯树脂两大类。聚酯树脂工艺性能好，价格便宜，对于中小型叶片可以采用聚酯。但通用的聚酯复合材料固化收缩率大，力学性能差，故很难满足大型叶片的生产工艺要求。环氧树脂具有较篼的粘结强度，所制的复合材料力学性能好，固化时无低分子产生，收缩小，具有耐热及耐化学腐蚀性好等优点。对于大型叶片可以考虑使用环氧树脂，但其成本篼、粘度大及工艺性能差的缺点在很大程度上限制了它的应用。改性环氧树脂（即通常的乙烯基树脂）既有良好的工艺性，又有优良的力学性能，可以说它汇集了环氧树脂和聚酿树脂的双重特性，在大型叶片的生产中经常使用。
3.2增强材料叶片在气动荷载和离心力的作用下存在着较大的弯距和离心力，同时还存在着扭转和剪切等应力。通常玻璃纤维的耐磨性和耐折性很差，受摩擦和扭折后纤维容易受伤断裂；碳纤维增强树脂与玻璃纤维增强树脂结构类似，在比强度（强度/密度）和比模童（模量/密度）等性能指标上碳纤维都优于玻璃纤维，但其成本远远高于玻璃纤维，限制了它的广泛应用（见表2）。
因此，为了合理利用玻璃纤维，选择无械单向方格布来承受弯距和离心力，同时选择少量无碱平衡型方格布来提篼桨叶的扭转刚度和剪切强度。
表2性能比较纤维熔点/抗拉强度拉伸弹性棋量极限值/MPa比强度/cmx106比棋量/cmxlO6硪纤维石墨E玻纤S玻纤3.3表面涂层胶衣树膜）材料叶片的耐久性很大程度上取决于它的表面情况，应该尽可能的不使玻璃纤维外露，以防介质侵蚀。为此，在叶片的外表面应特制成一层树脂含量很篼的胶衣层，这一层树脂称为胶衣树脂。胶衣层的厚度一般为0.25-0.4mm.如果胶衣太薄，胶衣下面的玻璃纤维会曝露出来，达不到美观及保护作用；但太厚又会容易产生断纹。因此，合理选择胶衣树脂也尤为重要。
3.4夹芯材料泡沫塑料是轻质的高分子材料，叶片常用它来做填充物。泡沫塑料具有独特的闭孔结构，使得它的吸水性、透气性和导热系数均比通孔结构的小，而强度和刚度则比通孔结构高。泡沫塑料中的气体含童和气体均匀情况对质量影响很大，一般孔细而均匀比孔大和气孔不均匀的结构的拉、压强度篼。泡沫塑料的容重和强度与气体含量有关，气体含量越多，容重越小，强度越低。同时，在叶片中应用的泡沫塑料必须是硬质的闭孔结构的泡沫塑料。一般使用较多的是聚氨酯泡沫塑料，它具有容重小、强度高，导热系数低，耐寒、抗震等优点。另外，它可以常温现场发泡，这对于它作为叶片的夹层结构芯材是特别合适的。
4叶片的结构设计叶片的结构设计相当复杂，诸多因素都应考虑：4.1叶片整体设计方案目前，风力发电机的功率控制主要采用变桨距控制和定桨距失速控制两种方式。变桨距控制通过改变桨距角，使叶片剖面的攻角发生变化来降低叶片的气动性能，使篼风速区风能功率降低，达到调速限功的目的。理论上变桨距是一种很好的控制方式，因为可人为的改变桨距角，在各种工况下实现风轮最佳运行。但变桨距控制需要有复杂的控制系统和变距执行机构，使风力机结构复杂、成本提高、可靠性和安全性降低。定奖距失速控制是利用桨叶翼形本身的失速特性，在高于额定风速的条件下，气流的攻角增大到失速条件（a >16°），使桨叶的表面产生涡流，效率降低，达到限制功率的目的，而且不需要复杂的变距系统，简化了机组，增加了风力机的可靠性和安全性。国外大型风力机组已广泛采用失速控制方式进行风轮功率控制，因此在整体设计中一般都采用这种方案。
4.2叶片铺层设计叶片的铺层设计是复合材料叶片设计的另一个重要环节。叶片的铺层是由叶片所受的外载荷决定的。无论是弯距、扭距和离心力都是从叶尖向叶根逐渐递增的，所以叶片结构的壁厚也是从叶尖向叶根逐渐递增的。由于复合材料具有高强度和低弹性模量的特性，叶片除满足强度条件外，尚需满足变形条件，特别是较长的风力机叶片尤其要注意叶片和塔架的碰撞。叶身设计尽可能按等强度布置，且在叶根部分需有较大的安全系数。
4.3叶片剖面及根嫌的构造选择叶片的剖面形式及根端形式，要考虑叶片的结构性能、材料性能及成型工艺。风力机叶片要承受较大的气动荷载，通常要考虑50~60m/s的极端风载，因而大多采用主梁加气动外壳或外壳内设加强肋的结构形式，以提高叶片的强度和刚度。主梁常用D型、C型、0型和矩形形式。空腹叶片内设加强肋是为了提高刚度、防止局部失稳。国外的主梁成型采用缠绕工艺，而国内受工艺设备的限制，常用手糊工艺。采用手糊工艺成型这种主梁是较麻烦的，而空腹壳体内加肋的剖面形式更适合手糊工艺。将其分别成型上、下半壳及加强肋，然后组装成整体。考虑到工艺设备的要求和操作的简便，通常更乐意采用后者的剖面形式。
主梁主要承受轴向荷载，常采用4：1或7：1单向布沿轴向铺设。而气动外壳除承担部分轴向荷载，还要承担扭转荷载。按复合材料优化设计观点，应布置一些1：1布层作45铺设，为简化工艺操作，可不用±45面层。可采用4：1布层，或在最外层设置一些1：1布层，均沿轴向铺设。
叶根设计是叶片结构设计的关键，应予以重视。因为在叶根处的荷载最大，而叶根连接大多靠复合材料材料的剪切强度、挤压强度或胶层剪切强度来传递荷载的，而复合材料的这些强度均低于其拉伸压缩及弯曲强度。可以说，叶片最危险的部位在叶根。选择根端形式时要注意防止根端出现较大的剪应力，尤其要避免出现层间剪切应力。目前用于大中型风力机复合材料叶片的根端连接形式主要有复合材料翻边法兰、金属法兰和预埋螺栓。其中，复合材料法兰和预埋螺栓是运用最广泛的两种方法。
4叶片设计中的荷载考虑叶片设计中荷载的确定也是尤其重要的，既要使叶片在运输、安装及运行期间保证安全，又要尽量降低成本。欧共体风能协会制定的风力机设计标准中将荷载工况规定为设计情况与自然环境条件的组合，从而提出了正常荷载工况、非正常荷载工况和事故荷载工况。正常荷载工况是指风力机在正常运行期间（指正常运行、偏航、开停机）叶片所受的荷载，大致可分为三大类：空气动力、重力和离心力。因此，在设计时应考虑气动载荷引起的剪切力、弯距和扭距；重力对叶片产生的剪切力、拉压力、弯距和扭距；离心力对叶片产生的拉力、弯距和扭距。另外，还要考虑到陀螺力及揣流风对叶片的影响。非正常荷载工况是指风力机在非正常运行期间（指极端风载、安装运输、危险状况）叶片所受的载荷。在出现极端风载（50载可达到正常工况下的3.5倍。所以，叶片设计时需满足在如此大的荷载下不破坏，且有一定的剩余强度以承受108左右的正常工况疲劳荷载。而在安装运输和危险状况下，荷载情况很复杂，但其交变次数一般不会超过106，其设计强度也需能够承受这些荷载的作用。事故荷载工况是指发生事故时（飞车、叶片损坏）叶片所承受的荷载。但叶片出现这种情况的机率很小，即使在这种情况下，叶片只要不是损伤到骨架梁，一般都可以修复。
5防雷保护、振动和变形及热膨胀因素叶片设计除满足以上要求以外，还要考虑到防雷保护、振动和变形及热膨胀因素影响。
5.1防雷保护风力机运行中最大的问题就是直击雷造成的损害，尤其是对叶片的损害。即使叶片是纯绝缘材料制成也不能排除遭雷击的可能性。因为叶片表面可能被海水盐分或工业污尘污染，也可能产生电场集中，结果便会导致雷击。如果电流仅流过叶片表面，所造成的损伤是微弱的。如果电流穿透叶片，叶片材料被加热至很篼温度，就会导致叶片的破坏或剥离。如果叶尖由金属制成，有叶尖至轮毂的叶片内应装有截面足够的电导体。当导体截面过小时，过流燃烧时会产生金属蒸气篼压力，导致叶片迸裂。同时，任何一种安装在叶片内的导体都会增加雷电击中叶片的次数。此时电流从叶片传至大地而对其部件不产生损害。雷击电流从叶片传至大地要途经轴承、机舱、发电机、塔架及控制系统，因此每个途经部件都要考虑到防雷及电流传导。
S.2振动由于作用在叶片上荷载的交变性和随机性，且叶片本身为弹性结构，因而叶片的振动是不可避免的。振动的形式有弯曲振动、扭转振动及弯曲耦合振动。如果叶片的固有频率接近转速频率某一整数倍的一定范围就会产生较大的动应力，使叶片具有共振性质。振动产生的疲劳会降低材料强度，减少使用寿命，因此在设计时要求叶片固有频率离开共振频率一定距离。S.3变形和热膨胀叶片在外荷载作用下会产生弹性变形，如剪切变形，拉伸变形和扭曲变形，这些可以通过计算叶尖位移和扭角来确定变形量。此外，设计时还须考虑到温度变形及附加应力引起的变形。温度变形是由于经纬向童不同而引起热膨胀系数不一致造成的。温度变化时叶片各层收缩和膨胀童不同，使叶片翘曲。叶片的铺层径向与叶片的轴向不一致，会产生附加应力，在离心力作用下也会出现类似温度差变形的情况。
6叶片的成型工艺大型复合材料风力叶片的研制是由复合材料不同成型工艺实现的。在其设计及生产过程中必须做到多重工艺综合设计。针对不同材料运用不同的工艺，包括SCRIMP、SPRINT、RIM、环氧预浸料等低温低压成型工艺与拉挤、缠绕等篼温成型工艺配合。
7结束语本文对大型风力发电机复合材料叶片材料选择、结构设计和成型工艺进行了初步探索及总结。由于成型工艺多重化且较为复杂，故只能作概略介绍。大型风力发电机复合材料叶片技术在国外已相当成熟，而国内尚处在摸索阶段，特别是多重工艺相结合的成型方法需大家共同探求。