2．3材料选择

　　叶片发展初期，由于叶片较小，有木叶片、布蒙皮叶片、钢梁玻璃纤维蒙皮叶片、铝合金叶片等等，随着叶片向大型化方向发展，复合材料逐渐取代其他材料几乎成为大型叶片的唯一可选材料。复合材料具有其它单一材料无法比拟的优势之一就是其可设计性，通过调整单层的方向，可以获得该方向上所需要的强度和刚度。更重要的是可利用材料的各向异性，使结构不同变形形式之问发生耦合。比如由于弯扭耦合，使得结构在只受到弯矩作用时发生扭转。在过去，叶片横截面耦合效应是一个让设计人员头疼的难题，设计工程想方设法消除耦合现象。但在航空领域人们开始利用复合材料的弯扭耦合，拉剪耦合效应，提高机翼的性能J。在叶片上，引入弯扭耦合设计概念，控制叶片的气弹变形，这就是气弹剪裁。通过气弹剪裁，降低叶片的疲劳载荷，并优化功率输出。

　　玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)是现代风机叶片最普遍采用的复合材料，玻璃钢以其低廉的价格，优良的性能占据着大型风机叶片材料的统治地位。但随着叶片逐渐变大，风轮直径已突破120m，最长的叶片已做到61．5m，叶片自重达18t。这对材料的强度和刚度提出了更加苛刻的要求。全玻璃钢叶片已无法满足叶片大型化，轻量化的要求。碳纤维或其它高强纤维随之被应用到叶片局部区域，如NEGMiconNM82．40m长叶片，LM61．5m长叶片都在高应力区使用了碳纤维。由于叶片增大，刚度逐渐变得重要，已成为新一代MW级叶片设计的关键。碳纤维的使用使叶片刚度得到很大提高，自重却没有增加。Vestas为V903．0MW机型配套的44m系列叶片主梁上使用了碳纤维，叶片自重只有6t，与V802MW，39m叶片自重一样。美国和欧洲的研究报告指出，含有碳纤维的承载玻璃纤维层压板对于MW级叶片是一个非常有效的选择替代品。在E．c．公司资助的研究计划¨。。中指出，直径为120m风轮叶片部分使用碳纤维可有效减少总体自重达38％，设计成本减少14％。但碳纤维价格昂贵，极大地限制其在风机叶片上的使用。现今碳纤维产业仍以发展轻质、良好结构和热性质佳等附加值大的航空应用材料为主。但许多研究员却大胆预言碳纤维的应用将会逐步增加。风能的成本效益将取决于碳纤维的使用方式，未来若要大量取代玻璃纤维，必需低价才具有竞争力。

　　3风轮叶片发展趋势

　　3．1叶片造型的发展

　　前面提到风机叶片专用翼型已成系列，但还存在很大改进空问。采用柔性叶片也是一个发展方向，利用新型材料进行设计，从而改进空气动力和叶片受力状态，增加可靠性和对风能捕获量。在开发新的叶片外形上也进行大量尝试，Enercon公司对33m叶片进行空气动力实验，经过精确的测定，叶片的实际气动效率为56％，比按照Betz计算的最大气动效率低约3—4％。为此，该公司对大型叶片外形型面和结构都进行了必要的改进，包括为抑制生成扰流和旋涡在叶片端部安装“小翼”，如图5所示；为改善和提高涡轮发电机主舱附近的捕风能力，对叶片根茎进行重新改进，缩小叶片的外形截面，增加叶径长度；对叶片顶部和根部之间的型面进行优化设计。在此基础上，Enercon公司开发出旋转直径71131的2MW风力发电机组，改进后叶片根部的捕风能力得以提高。Enercon公司在4．5MW风力发电机设计中继续采用此项技术，旋转直径为112m的叶片端部仍安装有倾斜“小翼”，使得叶片单片的运行噪音小于3个叶片(旋转直径为66m)运行时产生的噪音。

　　3．2叶片材料的进展

　　风机机组正朝着大型化发展，叶片长度越来越长，捕获的风能越来越多。风场经营者和能源公司都看好大叶片，因此Enercon公司的6MW机组应运而生，GE公司的7MW机组研发紧锣密鼓，而英国正在研制IOMW的巨型风力机¨。如此大功率风机配套的叶片将是超规模的。目前普遍采用的玻纤增强聚脂树脂、玻纤增强环氧树脂将无法满足要求。所以必须开发更为先进的材料，具备轻质、高强以及刚性好的性能。

　　碳纤维的使用已成必然，但一般以碳／玻混杂的形式出现。3TEX开发了一种三维混杂结构，如图6所示。这种结构具备高强度、高刚度特性，同时该结构能使树脂灌注速度加快，缩短工作时间。且这种结构较厚，减少了铺层层数，节约劳动力，降低了生产成本。实际结果表明，使用这种混杂纤维形式比全玻璃钢叶片减轻质量约为10％左右。

　　在未来的十几年里，有大量的叶片将会退役，退役后叶片的处理将是我们所面临的一个非常棘手的问题。目前使用的复合材料叶片属于热固性复合材料，很难自然降解。废弃物处理一般采用填埋或者燃烧等方法处理，基木上不再重新利用，易对环境造成影响，为此，人们开始积极研究开发“绿色叶片”一热塑性复合材料叶片l121。爱尔兰Gaoth风能公司与日木三菱重工及美国Cyclics公司正在探讨如何共同研制低成本热塑性复合材料叶片。根据有关资料介绍，与环氧树脂／玻璃纤维复合材料大型叶片相比较，若采用热塑性复合材料叶片，每台大型风力发电机所用的叶片重量可降低10％，抗冲击性能大幅度提高，制造成本至少降低l／4，制造周期至少降低l／3，而且可完全回收和再利用。安全快捷地制造“绿色”的复合材料叶片正期待着复合材料叶片制造商去实现，Gaoth公司及其合作伙伴就是实现这一目标的先驱。

　　3．3叶片设计新的研发理念

　　现在大型叶片的结构基本为蒙皮加主梁的形式，主梁为预先成型，然后粘接到叶片蒙皮。国外有设计公司提出叶片整体成型概念，意在打破蒙皮主梁的结构形式。

　　丹麦LM公司提出了“FutureBlade”的概念，且已在其54m和61．5m巨型叶片上使用了这种设计概念。LM公司研发部经理FrankV．Nielsen认为未来叶片设计的关键已从效率最大化转移到能量成本(COE)最优化，叶片将会更加细长，这种设计技术将会降低叶片载荷，叶片质量分布更加优化，材料成本将会降低，产品质量将更加得到保证。

　　2008年三月，美国Knight&Carver的风电叶片公司成功开发了一种新型叶片STARBlade¨。这种具有创新性的叶片不同于当前使用的绝大部分叶片，是专门针对低风速区域设计的。这种叶片叶尖采用“柔性”设计理念进行设计，在外形上与传统叶片后缘线性变化不同，逐渐向后缘弯曲，降低了叶片风压和风机的驱动扭矩，并最大限度捕获所有可用风速范围内的风能，包括边缘的低风速区域，比传统的叶片捕风能力提高了5～10％。第一片该种叶片已经进行了静力测试，年内还将生产第二片。