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[摘要] 风力发电叶片是风力发电系统的关键动部件，直接影响着整个系统的性能。随着风力发电容量的增大，风力发电叶片的尺寸越来越大，传统材料的叶片已很难满足其使用性能要求，具有轻质、高比强度、高比模量的纤维增强树脂基复合材料在风电叶片上应用越来越广泛。目前，几乎所有的商业级叶片均采用复合材料为主体制造，风电叶片已成为复合材料的重要应用领域之一。
[关键词] 风力发电叶片 比强度 比模量 纤维增强树脂基复合材料
清洁能源一直是人们普遍关心的问题 ，风力发电则是重要的清洁能源之一，越来越受到世界各国的关注。美国风能协会报导世界风力发电能力在不断提高。随着风力发电容量的增大，风力发电叶片的尺寸越来越大，对风力发电叶片制造材料提出的要求也就越来越高。因此世界各国都在积极研究和探索复合材料风力发电叶片。
一、风力发电机叶片制造材料
风力发电追求的目标就是：进一步提高发电效率，来获得更大的风能。而捕风能力的提高与风电叶片的形状、 长度和面积有着密切的关系，叶片尺寸的大小则主要依赖于制造叶片的材料。风电叶片制造材料越轻、强度及刚度越高，其抵御载荷的能力就越强，叶片就可以做得越大，其捕风能力也就越强。因此，国内外风力发电叶片多采用轻质高强、耐久性好的复合材料制造。
风电叶片复合材料一般是由聚酯树脂、 乙烯基树脂和环氧树脂等热固性基体树脂与 E一玻璃纤维、 s 一玻 璃纤维、 碳纤维等增强材料复合而成。由于玻璃纤维的价格仅为碳纤维价格的 1/10 左右，并且玻璃纤维增强复合材料叶片因为其质量轻、比强度高、可设计性强、价格比较便宜等因素，所以目前大、中型风电叶片复合材料采用的增强材料主要还是玻璃纤维（E一玻璃纤维和 s—玻 璃纤维）。然而，随着风力发电技术的迅猛发展，出现了超大型叶片，叶片长度不断增加，风电叶片长度增加就将增加叶片的质量。叶片对增强材料的强度和刚度等性能提出了更高的要求，单纯的玻璃纤维增强复合材料叶片往往不能满足其使用性能要求。丹麦L M叶片公司是世界上风力发电叶片最大的制造商，该公司集设计、结构、空气动力、材料、工艺、制造、测试、实验和生产于一体。L M公司在制造 61.5米的大型复合材料叶片时，采用了玻璃纤维／碳纤维混杂复合材料结构，尤其是在对材料强度和刚度要求较高的翼缘等部位，使用了碳纤维作为增强材料。这样，既可以提高风电叶片抵抗载荷的能力，由于碳纤维具有导电性， 又能有效地避免雷击对叶片造成损伤。添加碳纤维所制得的风电叶片质量比单纯玻璃纤维制作的叶片约轻32 %，且成本降低约16 %。预计下一代5～10 MW风力电机的设计将更多的采用碳纤维。因此，随着风电叶片的不断扩大化和碳纤维制造成本的降低，碳纤维增强复合材料风电叶片的应用将会越来越广泛。
为了充分发挥增强材料的增强作用， 提高复合材料叶片承受较大载荷、耐腐蚀、耐气体冲刷以及紫外线照射等性能， L M公司等复合材料叶片的制造商们还对树脂基体系统进行了精心设计和改进。采用性能优异的环氧树脂代替不饱和聚酯树脂，改善了玻璃纤维／ 树脂界面的粘结性能， 提高了叶片的承载能力。为提高复合材料叶片在恶劣工作环境中的长期使用性能，SP公司专门研究开发出耐紫外线辐照的新型环氧树脂系统， 以满足风力发电叶片耐久性的要求。
二、风力发电机叶片模具制造材料
随着风力发电技术的发展，风电叶片的模具制造材料也在不断发展。为降低模具成本， 减轻模具重量，大型复合材料叶片的制造模具逐渐由金属模具向复合材料模具发展， 这意味着复合材料叶片可以做得更长。另外， 由于模具与叶片采用了相同的材料，模具材料的热膨胀系数与叶片材料基本相同， 制造出的复合材料风电叶片的精度和尺寸稳定性均优于金属模具制造。
目前复合材料风电叶片均属于热固性复合材料，很难自然降解，并且无法重新利用。面对日益突出的复合材料废弃物对环境造成的危害，复合材料的回收和再利用技术研究已展开。热塑性复合材料具有质量轻、抗冲击性能好、生产周期短等一系列优异性能。在相同的尺寸条件下，热塑性复合材料由于密度低，叶片的重量更轻，同时运输和安装费用也相应地降低。但是，该类复合材料的制造工艺技术与传统的热固性复合材料成型工艺差异较大，制造成本较高，成为限制热塑性复合材料用于风力发电叶片的关键问题。随着热塑性复合材料制造工艺技术研究工作的 不断深人和相应的新型热塑性树脂的开发， 制造热塑性复合材料叶片已经不仅仅是一个新概念， 正在一步步地走向现实。
三、风力发电机叶片制造工艺
随着风力发电机功率的不断提高，风电叶片长度越来越大。为了保证发电机运行平稳和塔座安全，既要求叶片的质量轻，又要求叶片的质量分布要均匀、外形尺寸精度控制准确、长期使用性能可靠。若要满上述要求，必须要相应的成型工艺来保证。
我国复合材料风力发电机叶片多采用手糊工艺（Hand Lay-up） 制造。手糊工艺的主要特点：手工操作，开模成型，生产效率低以及树脂固化程度偏低。手糊工艺制造的风力发电机叶片在使用过程中往往由于工艺过程中的含胶量不均匀、纤维/树脂浸润不良及固化不完全等会导致出现裂纹、断裂和叶片变形等。此外，手糊工艺往往伴有大量有害物质和溶剂的释放，对环境会造成污染。
目前国外的复合材料风电叶片通常采用RIM(聚胺酯反应注射成型)、RTM、缠绕及预浸料/热压工艺制造［2-3］。其中RIM工艺投资较大，适宜中小尺寸风机叶片的大批量生产（>50,000片/年）；RTM工艺适宜中小尺寸风机叶片的中等批量生产（5,000～30,000片/年）；纤维缠绕及预浸料/热压工艺适宜大型风机叶片批量生产。生产大型叶片一般采用VARTM和SCRIMP法。VARTM即真空辅助RTM一边抽真空一边注进树脂，此时只用单面模具，另一面用真空袋。SCRIMP是西曼复合材料熔塑成形法，为美国人西曼所发明，只需单面模具且要求简单，另一面用真空袋，适用于制造大型复杂制件。随着叶片尺寸的增加，为保证叶片轻且质量分布均匀，叶片生产工艺由开模（手糊工艺、SCRIMP法、纤维缠绕工艺）向闭模发展（RTM、VARTM）。如现在热门的VARTM法，不但可大幅度降低成型过程中苯乙烯的挥发，而且更容易精确控制树脂含量，从而保证复合材料叶片质量分布的均匀性，并可提高叶片的质量稳定性。
Vestas公司和Gamesa公司都采用了预充填的方法，该方法将预充填层切裁成合适的尺寸并放进上、下模段中，一个空心的翼梁也被分层覆盖在一个芯轴柄上。塑料薄膜被展在三个模型之上，并利用真空法将多层纤维压缩在一起并挤走任何隐蔽的气泡。在真空状态时将模型加热到120 ℃，环氧树脂聚合物将变成黏度非常低的材料，空气开释有助于预充填层固紧在一块，几分钟后，升温使环氧树脂聚合物固化，固化之后，将塑料薄膜移走，将叶片部件黏合成一体。
此外，L M公司将机器人技术用于大型叶片的纤维铺覆和粘结， 并将计算机技术应用于工艺过程的实施监控和数据记录，为用户提供可追溯的资料作为可靠性保证的依据。
作为可再生的清洁能源之一， 我国已经开始注重风能的开发和利用。据报道，到2020年， 我国将投资2000亿人民币用于风力发电建设， 新增风力发电能力将达3000MW，并要求风力发电装备本土化。国际上风力发电技术先进的国家也看好了潜力巨大的中国风力发电市场， 丹麦、 美国等国家为了降低生产成本， 增强竞争力， 纷纷在中国建厂。国家对可再生清洁能源的支持， 加快了风力发电的发展速度，面临着巨大的市场需求和强劲的国际竞争， 我国大型复合材料叶片的发展机遇与挑战共存。
参考文献：
[1] 张晓明，风力发电复合材料叶片的现状与未来［J］.纤维复合材料材料.2006(6)：60－63.
[2] 李祖华.风力发电现状和复合材料在风机叶片上的应用［J］.高科技纤维与应用.2008,33（3）.
[3] 赵稼祥.复合材料在风力发电上的应用[J].高科技纤维与应用.2003, 28(4): 1－4.
[4]复合材料风电叶片的材料体系及制造工艺.工业知识库. http://cn./begoo.com/kb/22/201010/1299.html. 2010.
[5] J.R.Hutchinson,P.J.Schubel,N.A.Warrior.A cost and performance comparision of LRTM and VI for the manufacture of large scale wind turbine blades.Renewable Energy.2011.36(2011):866-871.
[6] Paul Langemeier,Director. Big challenges: the role of resin in wind turbine rotor blade development.Reinforced plastics.2010(2).
[关键词] 风力发电叶片 比强度 比模量 纤维增强树脂基复合材料
清洁能源一直是人们普遍关心的问题 ，风力发电则是重要的清洁能源之一，越来越受到世界各国的关注。美国风能协会报导世界风力发电能力在不断提高。随着风力发电容量的增大，风力发电叶片的尺寸越来越大，对风力发电叶片制造材料提出的要求也就越来越高。因此世界各国都在积极研究和探索复合材料风力发电叶片。
一、风力发电机叶片制造材料
风力发电追求的目标就是：进一步提高发电效率，来获得更大的风能。而捕风能力的提高与风电叶片的形状、 长度和面积有着密切的关系，叶片尺寸的大小则主要依赖于制造叶片的材料。风电叶片制造材料越轻、强度及刚度越高，其抵御载荷的能力就越强，叶片就可以做得越大，其捕风能力也就越强。因此，国内外风力发电叶片多采用轻质高强、耐久性好的复合材料制造。
风电叶片复合材料一般是由聚酯树脂、 乙烯基树脂和环氧树脂等热固性基体树脂与 E一玻璃纤维、 s 一玻 璃纤维、 碳纤维等增强材料复合而成。由于玻璃纤维的价格仅为碳纤维价格的 1/10 左右，并且玻璃纤维增强复合材料叶片因为其质量轻、比强度高、可设计性强、价格比较便宜等因素，所以目前大、中型风电叶片复合材料采用的增强材料主要还是玻璃纤维（E一玻璃纤维和 s—玻 璃纤维）。然而，随着风力发电技术的迅猛发展，出现了超大型叶片，叶片长度不断增加，风电叶片长度增加就将增加叶片的质量。叶片对增强材料的强度和刚度等性能提出了更高的要求，单纯的玻璃纤维增强复合材料叶片往往不能满足其使用性能要求。丹麦L M叶片公司是世界上风力发电叶片最大的制造商，该公司集设计、结构、空气动力、材料、工艺、制造、测试、实验和生产于一体。L M公司在制造 61.5米的大型复合材料叶片时，采用了玻璃纤维／碳纤维混杂复合材料结构，尤其是在对材料强度和刚度要求较高的翼缘等部位，使用了碳纤维作为增强材料。这样，既可以提高风电叶片抵抗载荷的能力，由于碳纤维具有导电性， 又能有效地避免雷击对叶片造成损伤。添加碳纤维所制得的风电叶片质量比单纯玻璃纤维制作的叶片约轻32 %，且成本降低约16 %。预计下一代5～10 MW风力电机的设计将更多的采用碳纤维。因此，随着风电叶片的不断扩大化和碳纤维制造成本的降低，碳纤维增强复合材料风电叶片的应用将会越来越广泛。
为了充分发挥增强材料的增强作用， 提高复合材料叶片承受较大载荷、耐腐蚀、耐气体冲刷以及紫外线照射等性能， L M公司等复合材料叶片的制造商们还对树脂基体系统进行了精心设计和改进。采用性能优异的环氧树脂代替不饱和聚酯树脂，改善了玻璃纤维／ 树脂界面的粘结性能， 提高了叶片的承载能力。为提高复合材料叶片在恶劣工作环境中的长期使用性能，SP公司专门研究开发出耐紫外线辐照的新型环氧树脂系统， 以满足风力发电叶片耐久性的要求。
二、风力发电机叶片模具制造材料
随着风力发电技术的发展，风电叶片的模具制造材料也在不断发展。为降低模具成本， 减轻模具重量，大型复合材料叶片的制造模具逐渐由金属模具向复合材料模具发展， 这意味着复合材料叶片可以做得更长。另外， 由于模具与叶片采用了相同的材料，模具材料的热膨胀系数与叶片材料基本相同， 制造出的复合材料风电叶片的精度和尺寸稳定性均优于金属模具制造。
目前复合材料风电叶片均属于热固性复合材料，很难自然降解，并且无法重新利用。面对日益突出的复合材料废弃物对环境造成的危害，复合材料的回收和再利用技术研究已展开。热塑性复合材料具有质量轻、抗冲击性能好、生产周期短等一系列优异性能。在相同的尺寸条件下，热塑性复合材料由于密度低，叶片的重量更轻，同时运输和安装费用也相应地降低。但是，该类复合材料的制造工艺技术与传统的热固性复合材料成型工艺差异较大，制造成本较高，成为限制热塑性复合材料用于风力发电叶片的关键问题。随着热塑性复合材料制造工艺技术研究工作的 不断深人和相应的新型热塑性树脂的开发， 制造热塑性复合材料叶片已经不仅仅是一个新概念， 正在一步步地走向现实。
三、风力发电机叶片制造工艺
随着风力发电机功率的不断提高，风电叶片长度越来越大。为了保证发电机运行平稳和塔座安全，既要求叶片的质量轻，又要求叶片的质量分布要均匀、外形尺寸精度控制准确、长期使用性能可靠。若要满上述要求，必须要相应的成型工艺来保证。
我国复合材料风力发电机叶片多采用手糊工艺（Hand Lay-up） 制造。手糊工艺的主要特点：手工操作，开模成型，生产效率低以及树脂固化程度偏低。手糊工艺制造的风力发电机叶片在使用过程中往往由于工艺过程中的含胶量不均匀、纤维/树脂浸润不良及固化不完全等会导致出现裂纹、断裂和叶片变形等。此外，手糊工艺往往伴有大量有害物质和溶剂的释放，对环境会造成污染。
目前国外的复合材料风电叶片通常采用RIM(聚胺酯反应注射成型)、RTM、缠绕及预浸料/热压工艺制造［2-3］。其中RIM工艺投资较大，适宜中小尺寸风机叶片的大批量生产（>50,000片/年）；RTM工艺适宜中小尺寸风机叶片的中等批量生产（5,000～30,000片/年）；纤维缠绕及预浸料/热压工艺适宜大型风机叶片批量生产。生产大型叶片一般采用VARTM和SCRIMP法。VARTM即真空辅助RTM一边抽真空一边注进树脂，此时只用单面模具，另一面用真空袋。SCRIMP是西曼复合材料熔塑成形法，为美国人西曼所发明，只需单面模具且要求简单，另一面用真空袋，适用于制造大型复杂制件。随着叶片尺寸的增加，为保证叶片轻且质量分布均匀，叶片生产工艺由开模（手糊工艺、SCRIMP法、纤维缠绕工艺）向闭模发展（RTM、VARTM）。如现在热门的VARTM法，不但可大幅度降低成型过程中苯乙烯的挥发，而且更容易精确控制树脂含量，从而保证复合材料叶片质量分布的均匀性，并可提高叶片的质量稳定性。
Vestas公司和Gamesa公司都采用了预充填的方法，该方法将预充填层切裁成合适的尺寸并放进上、下模段中，一个空心的翼梁也被分层覆盖在一个芯轴柄上。塑料薄膜被展在三个模型之上，并利用真空法将多层纤维压缩在一起并挤走任何隐蔽的气泡。在真空状态时将模型加热到120 ℃，环氧树脂聚合物将变成黏度非常低的材料，空气开释有助于预充填层固紧在一块，几分钟后，升温使环氧树脂聚合物固化，固化之后，将塑料薄膜移走，将叶片部件黏合成一体。
此外，L M公司将机器人技术用于大型叶片的纤维铺覆和粘结， 并将计算机技术应用于工艺过程的实施监控和数据记录，为用户提供可追溯的资料作为可靠性保证的依据。
作为可再生的清洁能源之一， 我国已经开始注重风能的开发和利用。据报道，到2020年， 我国将投资2000亿人民币用于风力发电建设， 新增风力发电能力将达3000MW，并要求风力发电装备本土化。国际上风力发电技术先进的国家也看好了潜力巨大的中国风力发电市场， 丹麦、 美国等国家为了降低生产成本， 增强竞争力， 纷纷在中国建厂。国家对可再生清洁能源的支持， 加快了风力发电的发展速度，面临着巨大的市场需求和强劲的国际竞争， 我国大型复合材料叶片的发展机遇与挑战共存。
参考文献：
[1] 张晓明，风力发电复合材料叶片的现状与未来［J］.纤维复合材料材料.2006(6)：60－63.
[2] 李祖华.风力发电现状和复合材料在风机叶片上的应用［J］.高科技纤维与应用.2008,33（3）.
[3] 赵稼祥.复合材料在风力发电上的应用[J].高科技纤维与应用.2003, 28(4): 1－4.
[4]复合材料风电叶片的材料体系及制造工艺.工业知识库. http://cn./begoo.com/kb/22/201010/1299.html. 2010.
[5] J.R.Hutchinson,P.J.Schubel,N.A.Warrior.A cost and performance comparision of LRTM and VI for the manufacture of large scale wind turbine blades.Renewable Energy.2011.36(2011):866-871.
[6] Paul Langemeier,Director. Big challenges: the role of resin in wind turbine rotor blade development.Reinforced plastics.2010(2).