前言
      能源作為國民經(jīng)濟的基礎，對社會、經(jīng)濟發(fā)展和提高人民生活質(zhì)量都極為重要，在高速增長的經(jīng)濟環(huán)境下，能源工業(yè)面臨經(jīng)濟增長與環(huán)境保護的雙重壓力。走持續(xù)發(fā)展道路，在確保社會不斷進步發(fā)展的同時保護生態(tài)環(huán)境已為越來越多的國家所共識。因此盡可能多地利用清潔新能源替代礦物燃料是當今世界能源發(fā)展的必然趨勢。自1992年聯(lián)合國全球環(huán)境與發(fā)展大會后，世界各國明顯加強了新能源領域的技術(shù)研究和交流，新能源的開發(fā)利用必將受到越來越多的關注。
      新能源一般指太陽能、風能、地熱能、生物質(zhì)能和海洋能等這類可再生能源。在當今世界新能源的開發(fā)中，風力發(fā)電是開發(fā)得最為有效的一種可再生能源。究其原因，主要為以下幾方面的優(yōu)越性：
      風能是一種干凈的可再生的能源，取之不盡，無污染；
      風能技術(shù)日趨成熟，風力機單機容量不斷增大，產(chǎn)品質(zhì)量顯著提高；
      風力發(fā)電的經(jīng)濟性日益提高，已接近煤電，比油電和核電低；
      風電工程建設周期短，占地少，運行成本低。
      玻璃鋼復合材料由于其獨特的性能，在風力機組部件葉片、機艙罩與導流罩得到了廣泛的應用。一些世界著名復合材料材料商、設備商競相參與風能領域，為葉片制造商提供配套。玻璃鋼復合材料風能產(chǎn)品已成為玻璃鋼復合材料行業(yè)一塊重要的產(chǎn)業(yè)。
1，國外風能發(fā)展概況
      據(jù)統(tǒng)計，全球風能資源在500000Twh/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(shù)成熟于80年代，由于許多國家相繼成立了風電科研機構(gòu)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(wǎng)型風力機從80年代的20KW～50KW，到90年代的500KW～800KW。90年代中期1～2MW風力機樣機研制成功，并投入商品化運行。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(gòu)、財團等紛紛集資用于風電開發(fā)建設。使全世界風電每年以30％的速度增長。
       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2610MW，丹麥2341MW，西班牙2836MW。歐洲的風電占世界的75％。根據(jù)規(guī)劃，2010年全歐洲裝機容量要達到40，000MW，2020年要達到100，000MW。丹麥計劃到2030年，可再生能源包括風能要提供全國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(shù)企業(yè)。風力機制造商集中在少數(shù)公司，大多數(shù)為歐洲公司。圖二為世界10大風力機制造商2000年累計產(chǎn)量。圖略
      前4位最大制造商在1998年占據(jù)市場份額70％。根據(jù)丹麥風力機制造商協(xié)會統(tǒng)計，1998年丹麥制造商生產(chǎn)1210MW風力機，產(chǎn)值10億美元。推測全球風力機制造企業(yè)銷售20億美元。在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16億千瓦，全國可開發(fā)利用的風能資源總量為2.53億千瓦，大于我國的水能資源。根據(jù)資源、土地、交通、電網(wǎng)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(nèi)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，我們?yōu)榱私鉀Q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(nèi)各風電科研機構(gòu)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(nèi)擁有這類風力機18萬臺，為電網(wǎng)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(chǎn)能力、生產(chǎn)量、社會保有量均為世界之首。
      93年我國明確提出了要將風電作為一個產(chǎn)業(yè)來抓，96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(shù)，通過消化吸收，達到自主開發(fā)、自行設計制造大型風力機。國家又制訂了“光明工程”，開發(fā)利用可再生能源，包括風能，為遠離電網(wǎng)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(jīng)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)運營。建成規(guī)模不等的風電場20多個，裝機容量已超過400MW。圖三為中國各年累計裝機容量。圖略
      根據(jù)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，2011～2015年累計全國裝機容量達到7000MW。
3，葉片技術(shù)進展
       隨著風力機單機容量的不斷增大，葉片長度也隨之增長。由200KW風力機葉片10m長增加到600KW的21m長。1MW～2MW風力機葉片長30m～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(shù)的進展是設計、材料、工藝、裝備綜合技術(shù)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(shù)上有十分明顯的發(fā)展。從功率調(diào)節(jié)上當前世界上主要流行4種技術(shù)：定槳距失速控制、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(shù)。風力機不同調(diào)節(jié)方式對葉片的氣動設計乃至葉片結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、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(chǎn)的，集中在幾家專業(yè)公司生產(chǎn)。最著名的葉片公司是丹麥的LM公司，至2000年已生產(chǎn)6萬片葉片，當年生產(chǎn)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(wǎng)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(jié)構(gòu)動力學、雷擊、氣動、結(jié)構(gòu)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(chǎn)葉片，其風力機占據(jù)世界市場的17％。德國的NOI主要生產(chǎn)MW級風力機葉片。
      近來這種由專業(yè)化葉片生產(chǎn)商壟斷的局面要被打破。一些著名的風力機制造商開始自己生產(chǎn)葉片，如Nodex生產(chǎn)1.5MW變槳距葉片，其他大公司如Bonus、Gamese、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(shù)方面與國外有一定的差距。葉片技術(shù)是風力機的關鍵技術(shù)，國外大公司輕易不肯轉(zhuǎn)讓技術(shù)或合作生產(chǎn)。為使玻璃鋼葉片能國產(chǎn)化，政府有關部門很重視葉片的研發(fā)，把葉片列入攻關項目與以支持。就我們承擔的攻關項目就有：“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(chǎn)業(yè)化”。“十五”期間，國家把MW級風力機研制列為“863”項目，包括.13MW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(jīng)過多年的攻關，我國已研發(fā)了200KW～750KW系列大型風力機玻璃鋼葉片，形成了批量生產(chǎn)，為風力機國產(chǎn)化奠定了基礎。
4， 葉片技術(shù)方面的若干問題
      (1)，氣動設計
      氣動設計包括：風輪氣動外形設計及氣動性能計算。根據(jù)風力機總體性能要求確定風輪直徑、葉片數(shù)、轉(zhuǎn)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)化理論。該理論基于葉片片條理論，在某一設計概況下，使葉片的每一剖面輸出功率最大，導出最佳氣動外形。理論設計外形需結(jié)合考慮葉片構(gòu)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，應進行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(zhuǎn)速的風輪性能，以確定風輪運行調(diào)節(jié)方式。
       風力機葉片采用的翼型，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。這些翼型有較高的升阻比，氣動性能對葉片表面污染不敏感。我們還沒有自己開發(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(jù)，給葉片氣動設計帶來較大的影響。
      (2)，葉片結(jié)構(gòu)設計
      對于商品化的大型風力機葉片，有其典型的結(jié)構(gòu)形式。葉片根端形式主要有膠接金屬法蘭，如Vestas生產(chǎn)的葉片；膠接金屬螺栓，如LM的葉片；T型螺栓，如NOI、Aerpac生產(chǎn)的葉片。上述形式的根端具有較高的承載力，根端過渡段曲線柔和，重量也較輕，一改翻邊法蘭的苯重外觀。
      葉片剖面基本上采用蒙皮加主梁的構(gòu)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(jié)構(gòu)。在剖面前、后緣空腹處，根據(jù)穩(wěn)定計算確定是否采用夾層結(jié)構(gòu)。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(gòu)造，可以減輕葉片重量，提高葉片的強度與剛度，避免葉片由彎曲產(chǎn)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快，葉片重量與風輪半徑近似有R2.9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(chǎn)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/玻混雜增強葉片，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，可使用高性能玻纖/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/玻混雜葉片，重9.6T。Enercon正研發(fā)用于112m直徑風輪碳纖維葉片，該葉片用于4.5MW商用陸上和海上風場。Enron公司、NOI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(jù)歐美專家分析指出，對于MW級大型風力機葉片，采用碳/玻混雜纖維增強，可以降低葉片重量30％，降低成本15％，減少葉尖撓度18～29％。
     (3)，葉片結(jié)構(gòu)試驗
      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(jié)構(gòu)試驗，以驗證設計的準確性及制造工藝的質(zhì)量。結(jié)構(gòu)試驗內(nèi)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(quán)，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(jié)構(gòu)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(nèi)容，在實驗室里驗證葉片能否使用20年。根據(jù)葉片疲勞荷載譜，在20年使用期，疲勞荷載交變次數(shù)達108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/秒。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(jù)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。
      (4)，制造工藝
      對于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)展到目前的比較先進的工藝。如LM公司采用VARTM工藝。在應用此項工藝過程中，解決了成型大型玻璃鋼構(gòu)件的系列技術(shù)難題。采用該項工藝技術(shù)，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(shù)、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(zhì)量更高的玻璃鋼葉片，采用先進的成型工藝是必由之路。目前國內(nèi)廠家已開始這方面的研究工作。
      (5)，葉片技術(shù)規(guī)范
      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(zhì)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(shù)標準：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(shù)》，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：《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(jié)構(gòu)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(nèi)生產(chǎn)廠家按與國際標準等效的技術(shù)要求進行整機及部件的設計、生產(chǎn)與質(zhì)量控制，使我們的產(chǎn)品能在一個高的起點上參與國內(nèi)與國際競爭。
5，在機艙罩與導流罩上應用
      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(nèi)，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。導流罩主要用以改善風輪氣動性能。雖然這二部件在機組中技術(shù)含量不高，但風力機制造商對其制造要求很高，應其外觀質(zhì)量對制造商的品牌有影響。我們曾和Vestas合作為其生產(chǎn)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(shù)進行模具及產(chǎn)品制造。目前我們已為國內(nèi)風力機制造商批量生產(chǎn)玻璃鋼機艙罩導流罩。
6，結(jié)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，可以預料今后相當長一段時期，風能將繼續(xù)保持高速增長，同時也成為玻璃鋼復合材料一個重要的應用領域。