摘 要：介紹了國內外風力發電產業的現狀、發展動向和風機葉片材料的選擇，指出碳纖維作為風機葉片增強材料具有廣闊的應用前景。

0  前  言
    風能是一種清河再生能源，取之不盡，用之不竭。美國斯坦福大學土木和環境系根據美國氣象數據中心1998~2002年的風速和溫度數據，按80m高度處風速為6.9m/s計算得出風能可利用資源量為7.2PW。美國能源部信息管理局發布的《國際能源展望2006》預計，全的用電量2015年將達到2.2PW，到2030年將達到3.0PW。如果風力發電技術和規模水平能做到成功利用10%的風能資源，那就足以承載1/4的電力需求量。
1  國內外風電產業現狀
1.1  風電產業蓬勃發展
    風電產業發展很快，遠遠超過太陽能、生物質能發電的發展。2000年風電時機184.5MW，2005年已達593.2MW，年均增長26.4%。2006年風電機組安裝量新增15GW，新增發電設備價值為180億歐元，累計安裝總量達75GW。目前風電市場的發展主要在歐洲，排名前4位的分別是德國、美國、西班牙和丹麥。據發展中能源研究會(EER)于2007年11月底發布的預測，到2015年風能發電將翻3倍以上，累計裝機總容量預計將從2007年91GW增加到2015年的290GW。
    由于風電發電與傳統燃料發電相比是無污染的發電方式，是富有生命力的清潔能源，特別是在能源緊缺的大氣候影響下，各國對風力發電都很重視。歐洲有關條例規定，到2010年必須有12%的能量來自可再生能源。歐洲風能市場在過去5a中平均年增長率達35%。德國是風能“超級大國”，幾乎擁有風電總裝機容量的40%，計劃到2030年風電占電力供應總量的1/4左右。2006年美國新增風力發電功率2.5GW，居之，風力發電總能力達到10GW。丹麥鼓勵風能開發，目前風電已能滿足該國10%以上的用電需求。英國于2003年7月啟動第二輪大規模風力發電計劃，預計到2010年風力發電力增加20倍，沿海風力發電量占電力供應總量的4%~7%。印度風力發電業發展迅速，目前已成為第五大和發展中大的風能市場。日本盡管依靠核電，但也鼓勵開發風能，預計到2010年風力發電達到3GW。有機構預測，未來風力發電投資增長快的區域將是美國、和印度，到2015年風電總投資將達2200~2500億美元。
    各國在風能開發利用方面投資的持續增長，導致風力發電設備制造業成為許多熱門的經濟領域，相應的市場規模獲得急劇擴大。美國Zoltek公司與丹麥Vestas公司簽訂了長期戰略性碳纖維及碳纖維制品供貨協議。有資料報道，Zoltek公司將向Vestas公司提供30多億美元的碳纖維及其制品，用作風力發電機轉子葉片。Vestas公司著手在美國、西班牙及開發新葉片工作。Zoltek公司還向德國Dewind公司供應碳纖維，用于生產風力發電機轉子葉片，銷售額達3億美元。
1.2  風電產業增長迅速
    風能資源豐富，總計約1000GW，風能利用潛力巨大。近年來，隨著設備制造能力的增強，我國風電產業呈現加速增長的態勢。我國2006年開始掀起的節能減排風暴更是助推風電這一新興綠色能源產業的蓬勃發展。2004年以業的3年增長率分別達到34.7%、65.7%和90.9%。2006年我國風電總裝機容量達到2.6GW。我國已在新疆、內蒙古、江蘇、上海、湖北、福建、珠海等地建造或擬建風力發電場。我國風電產業進入高速擴張階段，項目建設風起云涌。[-page-] 
    2007年9月，由香港華順貿易有限公司總投資達13億元的100MW風能發電項目落戶徐洲沛縣微山湖堤岸兩側。
    2007年11月，大唐多倫大西山風電場330MW項目中的臺風機成功并入蒙西電網發電，湖北省九宮山風力發電場正式投入高業運營。
    2007年11月22日，我國臺具有自主知識產權的2MW風力發電機組樣機在重慶成功下線，隨即獲得華能集團價值1.57億元的訂單。
    2007年11月28日，地處渤海遼東海的座海上風力發電站正式投入運營，是上座專為海上油氣田供電的風電站。
    2007年12月29日，大唐赤峰賽罕壩風電場波力克一期工程批機組并網發電，這個目前上大風電場年發電量可達1250GW，相當于一個中等城市4個月的用電量。
    根據規劃，到“十一五”期末，風能總裝機容量將達到5GW，但實際容量將達到10~12GW。近發改委提出了新的風電發展目標，到2020年將達到20GW的風電裝機容量。因此，在以后的若干年內，我國風電行業的裝備制造業必將超速發展。
1.3  風電設備制造業市場潛力大
    目前風機零部件制造已成為風電產業迅猛發展的瓶頸，葉輪、塔架、齒輪箱、軸承、發電機等相關廠商雖然在努力跟上產業的發展，但風電開發商們常常得為訂購的風電設備苦苦等待1~2a之久。為了大力發展風電產業，各國致力研究生產風電產業先進技術裝備。譬如，大型葉片材料供應商Zoltek公司擴大碳纖維產能，從2005年2800t/a擴大到2008年的10800t/a。Zoltek公司認為，制作大而輕又有高韌性的轉子葉片，采用碳纖維是關鍵的因素。
    我國防科工委編制印發了國防科技工業風力發電裝備產業發展指南(2007~2020)，強調要以關鍵技術的突破和掌握作為產業發展的基礎和動力，以高技術含量和高附加值作為產品研發的目標與追求。2015年前建成8~10個處于國內水平的重點零部件企業，形成產值200億的生產能力；2020年前建成2~3個處于國內水平的重點整機制造企業，年產整機組2000臺的能力。國內金風科技等企業紛紛擴產或新上項目。2007年7月復合集團從德國引進整套風力發電復合材料葉片制造技術，在連云港正式投資建廠；緊接著，中復神鷹碳纖維有限公司在連云港成立，該公司碳纖維項目計劃總投資30億元，一期工程投資6.5億元。
2  風電產業發展動向
2.1  大型化
    對于給定的風電場地，風機的輸出功率P與風輪直徑D的平方成正比，即P=0.3*D2。增加風輪直徑，風機輪出功率將按指數函數增加。目前風電機的風輪直徑和輸出功率的對應關系如表1所示。
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    由于風力發電成本隨著風力發電單機功率的增大而降低，因此從安裝臺現代化的風力發電裝置開始單機功率就在不斷增大，風機葉片長度也在不斷增加。風力發電葉片大制造商LMGlasfiber公司已關閉了專門生產長度在24m以下的葉片廠。發Enercon GmbH制造的風電機轉子直徑達114m,額定功率為4.5MW。
    大型機組還有土地占用面積小、管理和維修費用低的優點。理論上一臺1GW風電機組要比10臺100MW風電機組的發電成本降低1/3以上。無論是陸地風力發電還是海上風力發電，每千瓦小時的發電成本都隨著發電機單機容量的增加而下降，因此，發電裝備的大型化已經成為風力發電的發展趨勢。
2.2  海洋化
    目前，海上風電總裝機容量已達800MW。據歐洲風能協會預測，到2010年和2020年，歐洲海上風電總裝機容量將分別達到10GW和70GW，今后15a海上風電將成為風電產業發展的重要方向。
    海洋風力比陸地大而穩定，場地受限小，更有利于發展大型風電機組。海洋風速比陸地高20%~100%，風電功率與風速的3次方成正比，一般海洋風電功率比陸地大1.7倍。風能發電的大型化和海洋化相互促進。
    便海上風電場建設的工程技術比之陸地要復雜、難度要大；需要考慮風和波浪的雙重載荷，對風電機組支撐結構的強度要求高；海上氣候環境惡劣，天氣、海浪、潮汐等因素復雜多變，海上風電機組的單機容量大，制造技術復雜，對風電機組材料的防腐蝕等要求更為苛刻。
    對海上風電的研究與開發始于上世紀90年代，經過10多年的發展，海上風電技術正日趨成熟，并開始進入大規模開發階段。據報道，德國Enorcon公司已經開發了6MW的機組，GF公司7.3MW的機組已經安裝于夏威夷島北岸，英國研制10MW的巨型風力機。隨著海上風電場的建設，預計2010年將開發出單機容量10MW的風電機組。
    我國海上可開發風能資源約750GW，是陸上風能資源的3倍。雖然我國尚缺乏海上風電場建設的經驗，但經過近些年的探索，海上風電機組的設計和制造已經起步，由中海油投資、設計、建造安裝的海上風力發電站從2007年11月8日開始試運行，到11月26日已發電200MW?h，這為今后海上風電發展提供了技術，積累了經驗，標志著海上風電發展取得突破。
3  碳纖維風機葉片
3.1  風機工作原理及葉片作用
    目前國內外風力發電機普遍應用的是水平軸和垂直兩大類，又以水平軸升力型居多。
    一部典型的現代水平軸升力型風力發電機包括葉片、輪轂(與葉片合稱葉輪)、機艙罩、齒輪箱、發電機、塔架、基座、控制系統、制動系統、偏航系統、液壓裝置等。其工作原理是：當風流過葉片時，由于空氣動力的效應帶動葉輪轉動，葉輪通過主軸連接齒輪箱，經過齒輪箱(或增速機)加速后帶動發電機發電。
    風力發電機并不能將所有的流經的風力能源轉換成電力，理論上高轉換效率約為59%，實際上大多數的葉片轉換風能效率約介于30%~50%之間，經過機電設備轉換成電能后的總輸出效率約為20%~45%。[-page-] 
    風機葉片從風的流動獲得的能量與風速的3次方成正比，與葉輪直徑平方成正比，葉輪直徑決定了可擷取風能的多寡。葉片的數量也會影響到風機的輸出。一般來說，2葉、3葉風機效率較高，力矩較低，適用于發電。現代風機的葉片大多采用機翼的翼型。
3.2  風機葉片與碳纖維增強復合材料
    風機葉片是風力發電機組有效捕獲風能的關鍵部件，被視為風力發電系統的關鍵技術和技術水平標志。在發電機功率確定的條件下，如何提高發電效率，以獲理更大的風能，一直是風力發電追求的目標，而捕風能力的提高與葉片的形狀、長度和面積有著密切的關系，葉片尺寸的大小則主要依賴于制造葉片的材料。
   對同一材料而言，增加風機葉片長度勢必增加葉片質量。統計研究表明，葉片質量W隨葉片長度L的3次方增加，即W=AL3，如圖1所示。
    
    葉片質量對風機的運行、疲勞壽命和能量輸出都有重要影響。研究表明，風機葉片增長時，葉片質量的增加幅度大于風機能量輸出幅度的增加。顯然，葉片的輕量化可以減輕風機支撐部件的質量，有利于風機的壽命和能量的輸出。其次，減輕葉片質量對其本身的剛性有直接影響。為了保證在極端風力下葉片的葉尖不致于變形而擦碰塔架，葉片必須有一定的剛性。葉片的材料越輕、強度和剛度越高，葉片抵御載荷的能力就越強，葉片就可以做得越大，葉片的捕風能力也就越強。
    目前，風力發電機葉片普遍采用的是玻璃纖維增強聚酯樹脂、玻璃纖維增強環氧樹脂(GFRP)和碳纖維增強環氧樹脂(CFRP)，通過手工鋪放或樹脂注入等成型工藝復合而成。從強度和剛性等性能來講碳纖維增強環氧樹脂好，玻璃纖維增強環氧樹脂次之。
    就GFRP葉片的模量和強度來說，目前的臨界長度大約是60m。CFRP的比強度(強度/密度)約GFRP的2倍，CFRP的比模量(模量/密度)約是GFRP的3倍。由于CFRP輕而剛又強，決定了采用CFRP葉片能夠增加葉片的臨界長度。
    CFRP具有高的抗壓縮強度、抗剪切強度和優良的耐疲勞性和阻尼特性。碳纖維的耐蝕性也非常優異，在酸、堿、鹽的溶劑中長期浸泡不會溶脹變形。CFRP的耐蝕性主要取決于基體樹脂。試驗表明，CFRP和GFRP在沸騰鹽水中，隨著吸水量的增加，GFRP的抗彎曲強度、抗層間剝離強度大幅度下降，而CFRP的抗彎曲強度、抗層間剝離強度大幅度下降，而CFRP在相同吸水量的情況下，仍保持較高的性能。此外，由于碳纖維具有導電性，也可以有效地避免雷擊對葉片造成的損傷。[-page-] 
    當然，CFRP在風力發電上的大量采用也面臨價格的壓力。
    由于目前玻纖的價格大大低于碳纖維，<60m長的葉片仍然采用玻纖制造。LM公司開發61.5m大型復合材料葉片時，為了保證葉片能夠安全承擔風力、溫度等外界載荷，采用了玻纖/碳纖維混雜復合材料結構，在橫梁和翼緣等要求較高的部位使用碳纖維作為增強材料，單片葉片質量達15t。54mGFRP葉片輕的達13.4t，44m長的GFRP葉片質量約為11t，而德國Nordex公司和西班牙Gamela公司的44m長的CFRP葉片質量分別為9.6t和7t，呵用于2.5MW的風電機組。德國Nordex公司開發了56m長的CFRP葉片，其認為使用碳纖維可減少材料用量，當葉片尺寸大到一定程度時，CFRP葉片的成本不高于GFRP葉片。據Zoltex公司介紹，其生產的大絲束碳纖維Panex33(48k)用于風機葉片可以減輕40%，葉片降低成本14%，并使整個風機發電裝置成本降低4.5%。國外的新型5MW風電機葉片規定模梁結構要用碳纖維。
    因此，為了適應風力發電產業發展趨勢，開發更長且剛性更好的葉片，采用碳纖維作用風機葉片的增強材料勢在必行。
4  結語
    風能是可再生能源中有發展前景的清潔能源，風電產業的發展趨勢是大型化、海洋化，必然要求葉片大型化。盡管采用CFRP葉片尚有技術性和成本性的問題需要解決完善，但風能產業的蓬勃發展和碳纖維的優良性能已經展示了碳纖維作為增強材料應用于風能產業的廣闊前景。