大型风力机复合材料叶片及技术进展.pdf

2005年第3期玻璃钢/复合材料35

大型风力机复合材料叶片技术及进展

陈宗来,陈余岳
(上海玻璃钢研究所,上海200126)
摘要:本文介绍了大型风力机复合材料叶片技术现状,叙述叶片气动、结构、工艺等关键技术。随着风力机组向大容量方
向发展及海上风能的开发利用,将对风力机复合材料叶片的设计、材料及制造提出了挑战。
关键词:复合材料;风力机;叶片
中图分类号:TQ32711;TK83文献标识码:A文章编号:1003-0999(2005)03-0053-04

1引言近来一些著名的风力机制造商也开始自己生产
目前风能仍然是增长最快的能源。在近5年叶片。
中,风力发电机组装机容量年平均增长率大于我国可开发利用的风能资源有10亿kW。其中
35%。据世界风能协会的统计资料,截至2003年陆地2.5亿kW,现在仅开发了不到0.2%;近海地
底,世界风力发电机组总装机容量为39151.3MW,区有7.5亿kW,风能资源十分丰富。风能资源丰富
比上年增长了22%,2003年度新增容量为的地区主要分布在“三北”(东北、西北、华北)地区
7981MW。5个主要风电市场装机占全世界新增容及东南沿海地区。三北地区可开发利用的风力资源
量的80%。其中德国新增装机2608MW,美国新增有2亿kW,占全国陆地可开发利用风能的79%。
装机1685MW,西班牙新增装机1372MW,印度新增根据风力发电中长期发展规划,到2005年全国风电
装机408MW,后起之秀奥地利新增276MW(200%总装机容量为100万kW,2010年400万kW,2015
的增长率)。预计到2008年,全世界风电装机总容年1000万kW,2020年2000万kW。2020年以后石
量将达到100000MW。2020年风力发电量将占世界化燃料资源减少,火电成本增加,风电具备市场竞争
总发电量的11.81%。能力,发展更快。2030年后水能资源基本开发完
随着现代风电技术的发展与日趋成熟,风力发毕,海上风电将进入大规模开发期。我国在风力机
电机组的技术沿着增大单机容量、减轻单位千瓦重复合材料叶片设计与制造技术方面与国外有一定的
量、提高转换效率的方向发展。上世纪末,风电机组差距。为使复合材料叶片能国产化,政府有关部门
主力机型是750kW。到2002年前后,主力机型已经很重视叶片的研发,把叶片列入攻关项目予以支持。
达到1.5MW以上。1997年兆瓦级机组占当年世界所研发的200～750kW系列风力机复合材料叶片已
新增风电装机容量的9.7%,而2001年和2003年分形成批量生产,兆瓦级风力机正在开发中,尚不具备
别占到52.3%和71.4%。海上风电场的建设要求规模化生产能力。
单机容量更大的机组,欧洲已批量安装3.6MW机2大型风力机的复合材料叶片技术
组,5MW机组也已安装运行。2.1材料
叶片是风力机的关键部件之一,涉及气动、复合目前商品化的大型风力机叶片大多采用玻璃纤
材料结构、工艺等领域。在北瓦级风电机组中,叶片维复合材料(GRP)。长度大于40m叶片可以采用
更是技术关键。如1.5MW主力机型风力机叶片长碳/玻混杂复合材料,但由于碳纤维的价格,未能推
34～37m,每片重6t,设计制造难度很高。在国外叶广应用。GRP叶片有以下特点:①可根据风力机叶
片集中在几家专业公司生产。最著名的叶片公司是片的受力特点设计强度与刚度。
丹麦的LM公司,是世界上唯一一家全球叶片生产风力机叶片主要是纵向受力,即气动弯曲和离
商。目前在全世界正在运行的风机叶片中1/3以上心力,气动弯曲荷载比离心力大得多,由剪切与扭转
都是LM的产品。至2000年LM已生产6万片叶产生的剪应力不大。利用纤维受力为主的受力理
片,当年生产7200片叶片,占居世界市场的45%,论,可把主要纤维安排在叶片的纵向,这样就可减轻

收稿日期:2005202218
作者简介:陈宗来(19672),男,工程师,硕士,从事复合材料应用研究。

FRP/CM2005.No.3
45大型风力机复合材料叶片技术及进展2005年5月

叶片的重量。②翼型容易成型,并达到最大气动效动理论有其局限性,理论设计须结合风场运行验证。
率。为了达到最佳气动效果,叶片具有复杂的气动更精确的理论应考虑3D效应及动态失速影响。
外形。在风轮的不同半径处,叶片的弦长、厚度、扭2.3风力机复合材料叶片构造设计
角和翼型都是不同的,如用金属制造十分困难。设计GRP叶片的构造时主要考虑叶片根端连
GRP叶片可实现批量生产。③叶片使用20a,要经接与叶片剖面形式。叶片与轮箍连接使叶片成悬臂
受108次以上疲劳交变,因此材料的疲劳性能要好。梁形式。作用在叶片上的荷载通过叶片根端连接传
GRP疲劳强度较高,缺口敏感性低,内阻尼大,抗震到轮毂上,因此