隨著各國(guó)政府對(duì)可再生能源的日益重視，風(fēng)能發(fā)展的前景將越來越廣闊，海上風(fēng)電在未來的發(fā)展空間也越來越大。海洋環(huán)境下的腐蝕、高壓、水底暗流流動(dòng)帶來的強(qiáng)剪切作用對(duì)材料的耐腐蝕性、強(qiáng)度和耐疲勞性能提出了嚴(yán)格的要求，復(fù)合材料自身有著優(yōu)良的耐疲性能和抗蝕性能，使其在海洋領(lǐng)域的開發(fā)拓展中占有優(yōu)勢(shì)。復(fù)合材料技術(shù)的進(jìn)步是推動(dòng)風(fēng)電機(jī)組大型化、低成本和輕量化的重要手段，如今復(fù)合材料在海上風(fēng)電中發(fā)揮著不可替代的作用。

1.復(fù)合材料的介紹

1.1復(fù)合材料的定義

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。其中各種材料在性能上互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于每種單一原組成材料，從而滿足各種不同的要求。例如，單一的玻璃纖維，雖然強(qiáng)度很高，但是由于纖維間是松散的，所以它只能承受拉應(yīng)力而不能承受彎曲、剪切和壓應(yīng)力，也不能做成固定的幾何形狀。如果把合成樹脂和它們粘合在一起，就能做成各種具有固定形狀的堅(jiān)硬制品，既能承受拉應(yīng)力，又可承受彎曲、剪切和壓應(yīng)力。

復(fù)合材料主要是由基體與增強(qiáng)材料組成，其中基體分為鋁、鎂、銅、鈦及其合金的金屬基體和合成樹脂、橡膠、陶瓷、碳等非金屬基體。增強(qiáng)材料則主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等。增強(qiáng)材料一般需要有比基體材料高至少2~3倍的彈性模量，有比較高的拉伸強(qiáng)度，能較好地與基體材料結(jié)合。

基體與增強(qiáng)材料之間通過所形成界面的性質(zhì)和強(qiáng)度來相互作用，其相互作用的方式、界面的性質(zhì)對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能有著非常重要的影響。界面粘接越牢固，復(fù)合材料的剛度和強(qiáng)度也就越強(qiáng)，橫向和層間的拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度以及彈性模量和剪切模量也越高。

復(fù)合材料按其組成分為金屬與金屬復(fù)合材料、非金屬與金屬復(fù)合材料、非金屬與非金屬復(fù)合材料。按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又分為：①纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。將各種纖維增強(qiáng)體置于基體材料內(nèi)復(fù)合而成。如纖維增強(qiáng)塑料、纖維增強(qiáng)金屬等。②夾層復(fù)合材料。由性質(zhì)不同的表面材料和芯材組合而成。通常面材強(qiáng)度高、??；芯材質(zhì)輕、強(qiáng)度低，但具有一定剛度和厚度。分為實(shí)心夾層和蜂窩夾層兩種。③細(xì)粒復(fù)合材料。將硬質(zhì)細(xì)粒均勻分布于基體中，如彌散強(qiáng)化合金、金屬陶瓷等。④混雜復(fù)合材料。由兩種或兩種以上增強(qiáng)相材料混雜于一種基體相材料中構(gòu)成。與普通單增強(qiáng)相復(fù)合材料比，其沖擊強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性顯著提高，并具有特殊的熱膨脹性能。分為層內(nèi)混雜、層間混雜、夾芯混雜、層內(nèi)/層間混雜和超混雜復(fù)合材料。

1.2復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)

（1）比強(qiáng)度高、比模量大

比強(qiáng)度是強(qiáng)度與密度之比，比模量是模量與密度之比。這兩個(gè)比值越高，說明在相同強(qiáng)度和剛度條件下，材料的質(zhì)量越輕。

（2）抗疲勞性能好

疲勞破壞是指材料在交變載荷下，由于裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展導(dǎo)致的材料失效。一般情況下，金屬材料的疲勞破壞是由金屬內(nèi)部向外逐漸發(fā)展形成的，事先往往無任何征兆，而纖維復(fù)合材料的疲勞破壞總是從材料最薄弱環(huán)節(jié)開始，再逐漸擴(kuò)展，破壞前會(huì)有比較明顯的征兆，而且纖維與基體的界面能有效阻止裂紋擴(kuò)展，因此，復(fù)合材料在纖維方向受拉時(shí)的疲勞特性要比金屬材料好得多。大多數(shù)金屬材料的疲勞極限是其拉伸強(qiáng)度的30-50%，碳纖維復(fù)合材料則是70-80%，可見復(fù)合材料比金屬材料有較高的耐疲勞特性。

（3）減振性能好

復(fù)合材料中的纖維與樹脂基體界面有吸振能力，加上粘彈性和摩擦力使一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，纖維增強(qiáng)材料的阻尼比鋼和鋁合金大，故其振動(dòng)阻力甚高，可避免共振而致的破壞。

（4）高溫性能好

一般而言，復(fù)合材料由基體和增強(qiáng)材料組成，其高溫性能都比基體材料的高溫性能好。

（5）破壞安全性能好

纖維復(fù)合材料基體中有大量獨(dú)立纖維，每平方厘米上的纖維少則幾千根，多則上萬根。在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，當(dāng)構(gòu)件超載并有少量纖維斷裂時(shí)，載荷會(huì)迅速重新分配在未破壞的纖維上，同時(shí)，已發(fā)生斷裂的纖維同時(shí)也可以在一小段部分發(fā)揮作用。因而，在短期內(nèi)不至于使整個(gè)構(gòu)件喪失承載能力。

（6）成型工藝性能好

針對(duì)連續(xù)增強(qiáng)型復(fù)合材料，可用手糊法、纏繞成型法、拉拔成型法和模壓成型法等制造工藝，從原理和設(shè)備上講，制造工藝簡(jiǎn)單，沒有大量的切割，原料損耗少，所用功率也不大，可制成形狀復(fù)雜的部件，尤其適宜于制作相當(dāng)大的整體結(jié)構(gòu)部件

（7）優(yōu)越的可設(shè)計(jì)性

可設(shè)計(jì)性能好是復(fù)合材料最優(yōu)越的地方，這些可設(shè)計(jì)性主要表現(xiàn)在選擇纖維的種類、鋪層的方向、層數(shù)、層次和性能與體積的百分比等等。纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料在微觀上是一種“結(jié)構(gòu)”模型，這種“結(jié)構(gòu)”由數(shù)量龐大的纖維和基體組成，在纖維和基體材料定好以后，可以通過改變材料相關(guān)參數(shù)和幾何參數(shù)的方法，來設(shè)計(jì)出各種具有不同性能的復(fù)合材料。

（8）熱穩(wěn)定性好

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料對(duì)熱的敏感度比較小，其機(jī)構(gòu)部件就算在大幅度溫度變化的環(huán)境中，仍然能保證較好的穩(wěn)定性，其變形非常微小。同時(shí)，復(fù)合材料可以通過改變鋪層相關(guān)參數(shù)，設(shè)計(jì)出線性膨脹系數(shù)接近為零的部件，較好的保證了復(fù)合材料部件的熱穩(wěn)定性能。

（9）耐化學(xué)腐蝕性好和電性能好

一般來說，基體樹脂決定了復(fù)合材料的耐化學(xué)腐蝕性。在眾多基體復(fù)合材料中，陶瓷基復(fù)合材料和聚合物基復(fù)合材料具有優(yōu)越的抗腐蝕性。同時(shí)，復(fù)合材料絕緣性可達(dá)到甚高水平，但也可做成防靜電或?qū)w的。在高頻下能保持是良好的介電性能。不受電磁作用，不反射電磁波，能透過微波。這些性能遠(yuǎn)非金屬材料所能比擬。

2.復(fù)合材料在風(fēng)電機(jī)組中的應(yīng)用現(xiàn)狀

近幾十年來，復(fù)合材料飛速發(fā)展，極大地推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。從最初的宏觀復(fù)合材料，如水泥與砂石、鋼筋混合而成的混凝土，到隨后新興的微觀復(fù)合材料，如聚合物基、金屬基和無機(jī)非金屬材料基復(fù)合材料，各種新型復(fù)合材料如雨后春筍般出現(xiàn)，廣泛應(yīng)用于航天航空、汽車、建筑等領(lǐng)域。

而隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，風(fēng)電裝備作為風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的核心，受到越來越廣泛的重視，其質(zhì)量和性能直接影響到風(fēng)力機(jī)對(duì)風(fēng)能的利用效率。由于對(duì)剛度的要求比較大，常規(guī)的風(fēng)力機(jī)材料都采用鋼材，但這使得風(fēng)力機(jī)質(zhì)量過于龐大，不便運(yùn)輸、吊裝和維修。此外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作環(huán)境經(jīng)常會(huì)遇到比較惡劣的氣候條件，如低溫、高溫、臺(tái)風(fēng)、沙塵、鹽霧、附冰等，極其容易受到環(huán)境的腐蝕和破壞，從而達(dá)不到預(yù)定的設(shè)計(jì)壽命?，F(xiàn)在，隨著復(fù)合材料技術(shù)的突飛猛進(jìn)，新型復(fù)合材料在風(fēng)力機(jī)零部件上的應(yīng)用開始得到廣泛的關(guān)注，尤其是在葉片、機(jī)艙罩導(dǎo)流罩、基礎(chǔ)混凝土以及栓接連接件上的應(yīng)用。各大世界著名的復(fù)合材料設(shè)備商競(jìng)相參與風(fēng)能領(lǐng)域，為葉片、機(jī)艙罩和導(dǎo)流罩的制造商提供支持。復(fù)合材料風(fēng)能產(chǎn)品生產(chǎn)制造已經(jīng)成為復(fù)合材料行業(yè)非常重要的產(chǎn)業(yè)之一。

2.1葉片

葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的關(guān)鍵部件之一，是風(fēng)電機(jī)組有效捕獲風(fēng)能的核心部件，占整個(gè)風(fēng)力發(fā)電裝置成本的20%左右。風(fēng)機(jī)在工作過程中，葉片要承受強(qiáng)大的風(fēng)載荷、砂石粒子沖擊、紫外線照射等作用，因此必須對(duì)葉片體系進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和改進(jìn)，使其能滿足在惡劣環(huán)境下的正常運(yùn)轉(zhuǎn)要求。制造葉片的材料和工藝對(duì)其成本存在決定性作用，材料的選擇和制備工藝優(yōu)化對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的成本控制非常重要。葉片的捕風(fēng)能力和效率與葉片的形狀、尺寸、重量以及表面積有著十分密切的聯(lián)系，而葉片的材料是限制葉片形狀尺寸的重要因素，如果材料越輕、強(qiáng)度和剛度越高，葉片抵御外界載荷及自身重量的能力就越強(qiáng)，葉片就可以做得越大，捕風(fēng)能力也就越強(qiáng)。因此，輕質(zhì)量、高強(qiáng)度、高耐性的復(fù)合材料在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的制造中得到了非常廣泛的應(yīng)用。

復(fù)合材料葉片的主要優(yōu)點(diǎn)如下：（1）質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，剛度好，具有可設(shè)計(jì)性，可根據(jù)葉片受力特點(diǎn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度與剛度，從而減輕葉片的質(zhì)量；（2）沖擊缺口敏感性低，內(nèi)阻尼大，抗振性好，抗疲勞強(qiáng)度高；（3）耐候性好，可滿足在酸、堿、水汽等各種氣候環(huán)境下的使用要求；（4）維護(hù)方便，除了每隔若干年對(duì)葉片表面進(jìn)行涂漆外，一般不需要大的維修。

目前世界上大多數(shù)的葉片都是采用玻璃鋼復(fù)合材料制造。從前，我國(guó)只掌握了750kW以下的風(fēng)機(jī)葉片的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)能力，近幾年，通過引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，國(guó)內(nèi)己有多家具備1.5MW風(fēng)機(jī)葉片產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)能力的企業(yè)。

復(fù)合材料可滿足葉片變截面、曲率大和結(jié)構(gòu)鋪層漸變等特征要求，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已成為大葉片的唯一可選材料，這也使風(fēng)電葉片成為世界上最大的復(fù)合材料單體部件。一般來說，材料選擇在葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定型時(shí)完成，但最新的葉片設(shè)計(jì)理念就是將材料前置，與氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)形成多目標(biāo)一體化迭代，不斷尋優(yōu)葉片和主機(jī)匹配的最佳發(fā)電量、載荷與成本，目前陸上8.0MW以下葉片設(shè)計(jì)都是玻璃纖維為主的材料體系，而海上12MW以上葉片則須考慮應(yīng)用碳纖維主梁進(jìn)行設(shè)計(jì)。

風(fēng)電葉片的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，其應(yīng)用的原材料主要由增強(qiáng)纖維、樹脂、芯材和結(jié)構(gòu)膠等組成，葉片的主要成本構(gòu)成如圖2所示。

圖1 典型風(fēng)電葉片截面結(jié)構(gòu)型式

圖2 葉片成本占比情況

從圖2中可以看出，原材料費(fèi)用占葉片成本的75%，而在原材料成本中占比較大的主要是增強(qiáng)纖維、基體樹脂、夾芯材料和結(jié)構(gòu)膠，復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維類別有很多，早期葉片上試用過天然的竹纖維，但由于性能偏低和供應(yīng)不足問題不具備在大葉片批量應(yīng)用的條件；玄武巖纖維近幾年也是葉片應(yīng)用研討的熱點(diǎn)，但因其密度大、成本高和產(chǎn)能有限，也不具備規(guī)?；瘧?yīng)用的條件。

合理選擇材料的基體和增強(qiáng)體，并充分考慮兩者之間的相互作用，是風(fēng)機(jī)葉片材料選擇的關(guān)鍵。基體通常使用熱塑性材料或熱固性塑料，這些材料的強(qiáng)度和模量都比較低，但由于其擁有良好的彈塑性，因此可經(jīng)受住較大的應(yīng)變。增強(qiáng)體使用的纖維材料直徑較小，一般在10m以下，缺陷相對(duì)較小，具有較強(qiáng)的剛性，但呈脆性，易受到腐蝕、損傷及產(chǎn)生斷裂。因此，目前風(fēng)電葉片主要應(yīng)用的增強(qiáng)纖維還是玻璃纖維和碳纖維。

2.1.1 玻璃纖維

玻璃纖維是公認(rèn)的優(yōu)質(zhì)風(fēng)電葉片原材料，根據(jù)中國(guó)玻璃纖維協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，風(fēng)電用玻璃纖維占玻璃纖維總產(chǎn)能的20%~25%左右。葉片越長(zhǎng)整體柔性變形就越大，控制葉尖撓度變形可以確保葉片與塔架之間具有足夠的安全距離，否則很容易發(fā)生掃塔事故。玻璃纖維的拉伸模量是影響葉片變形的關(guān)鍵因素之一，因此其模量的增加對(duì)葉片剛度的提升意義重大。近10年玻璃纖維企業(yè)持續(xù)不斷的進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，每一代玻璃纖維的模量都提升了10%左右，有力地促進(jìn)了葉片大型化的發(fā)展。玻璃纖維在葉片的蒙皮、腹板和主梁上都有廣泛的應(yīng)用，不同部件采用的纖維布類型因承載需要而各有差異。雖然玻璃纖維經(jīng)過近幾十年的發(fā)展進(jìn)步斐然，但對(duì)于適應(yīng)更大更輕葉片需求，玻璃纖維性能提升的空間也越來越小，亟需新材料和新工藝等新技術(shù)來推動(dòng)風(fēng)電葉片的發(fā)展。

2.1.2碳纖維

傳統(tǒng)的葉片多采用的是玻璃纖維，這種材質(zhì)的重量比較大，與復(fù)合材料相比，其性能存在較多的不足。在極端風(fēng)載作用下，葉尖不能碰觸到塔架，葉片必須具有較強(qiáng)的剛度，在減輕葉片重量時(shí)，還要保證其剛度及強(qiáng)度不會(huì)出現(xiàn)降低。碳纖維復(fù)合材料是一種新型的材料，將其應(yīng)用在風(fēng)電葉片的制造中，可以很好的滿足風(fēng)力發(fā)電裝置的大功率需求，其突破了玻璃纖維復(fù)合材料的性能極限，而且可以保證風(fēng)電葉片在增加長(zhǎng)度的同時(shí)，重量大大降低。

圖3 玻璃纖維

圖4 碳纖維

碳纖維復(fù)合材料在海洋風(fēng)力發(fā)電中具有顯著的優(yōu)勢(shì)：

（1）提高葉片剛度，減輕葉片質(zhì)量。碳纖維復(fù)合材料葉片質(zhì)量低，剛度大，碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度約是玻璃纖維的2倍，比模量約是玻璃纖維的3倍。對(duì)于用于相同功率機(jī)組的風(fēng)電葉片，碳纖維的使用可使葉片的重量大幅下降。

（2）使風(fēng)機(jī)的輸出功率更平滑更平衡，提高風(fēng)能利用效率。使用碳纖維后，葉片質(zhì)量的降低和剛度的增加改善了葉片的空氣動(dòng)力學(xué)性能，減少了對(duì)塔架和輪載的負(fù)載，從而使風(fēng)機(jī)的輸出功率更平滑更均衡，提高了風(fēng)能利用效率。同時(shí)，碳纖維的輕質(zhì)高強(qiáng)特性可使葉片能夠設(shè)計(jì)成更薄更有效的結(jié)構(gòu)形式，葉片更長(zhǎng)，提高了能量的輸出效率。此外，在大型柔性風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)中如主梁帽和蒙皮中采用碳纖維復(fù)合材料，可以實(shí)現(xiàn)葉片的彎扭耦合設(shè)計(jì)，在降低葉片的疲勞載荷的同時(shí)優(yōu)化效率輸出。

（3）提高葉片對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)性。風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期在惡劣的自然條件下工作，濕度、疲勞、暴風(fēng)雨和雷擊等因素都可能使風(fēng)電葉片易于受損。碳纖維材料不僅具有高的抗壓縮強(qiáng)度和優(yōu)良的耐疲勞特性，而且對(duì)酸堿鹽具有良好的耐腐蝕性，碳纖維的使用使葉片對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)性提高。

（4）降低風(fēng)電葉片的制造和運(yùn)輸成本。當(dāng)葉片超過一定尺寸時(shí)，碳纖維復(fù)合材料葉片反而比玻璃纖維復(fù)合材料葉片便宜，因?yàn)椴牧嫌昧?、勞?dòng)力、運(yùn)輸和安裝成本等都下降了。

（5）利用碳纖維的導(dǎo)電性能，通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可有效地避免雷擊對(duì)葉片造成的損傷。

（6）降低風(fēng)力機(jī)葉片的制造和運(yùn)輸成本，具有振動(dòng)阻尼特性等。

隨著葉片尺寸的增加，其重量也越來越大，全玻璃纖維葉片無法滿足機(jī)組大型化和輕量化的要求，碳纖維已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)超大型葉片輕質(zhì)高強(qiáng)要求的理想選擇材料。對(duì)于海上大葉片來說，通常會(huì)在其承載的關(guān)鍵部位主梁上應(yīng)用碳纖維以提高葉片剛度和強(qiáng)度，以減少傳遞到主機(jī)和塔底的載荷，進(jìn)而優(yōu)化整機(jī)系統(tǒng)造價(jià)來降低度電成本。應(yīng)用碳纖維主梁設(shè)計(jì)的葉片一般比全玻璃纖維葉片減重20%~30%，雖然碳纖維葉片成本上升，但其帶來的傳動(dòng)鏈上相關(guān)部件及塔筒的優(yōu)化減重，使風(fēng)電機(jī)組的整體成本降低10%以上。由于碳纖維價(jià)格比較高，考慮到葉片的制造成本，碳纖維只應(yīng)用到葉片的一些關(guān)鍵部位在這些部件中，除了全碳纖維外，碳纖維多以碳纖維一玻璃纖維混雜的結(jié)構(gòu)存在。

（1）主梁帽：碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)電葉片中最重要的應(yīng)用部位就是主梁帽，碳纖維主梁帽大幅減輕了葉片的重量，是目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)中最為常用的一種。2004年GEC設(shè)計(jì)了一個(gè)用于3MW機(jī)組的風(fēng)力葉片，長(zhǎng)度約為50m，葉片主梁帽中50%由碳纖維復(fù)合材料制成，另外50%由玻璃纖維復(fù)合材料制成，相比于全玻璃纖維的葉片，該款葉片的重量從9790kg下降到8236kg，減輕了16%，葉根處的重力誘導(dǎo)彎矩減少了26%。

（2）蒙皮表面：碳纖維復(fù)合材料還可以使用在蒙皮表面上，減少作用在支撐梁上的受力和扭矩，采用良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)“材料誘導(dǎo)式”的葉片受載彎扭耦合。據(jù)NEG麥康公司的專利報(bào)導(dǎo)，葉片在總長(zhǎng)度的60%到85%部分用碳纖維復(fù)合材料條帶加固葉片蒙皮橫截面外部圓周的一個(gè)薄層，可明顯提高蒙皮抵抗拉力和壓力的能力。

（3）葉片根部：碳纖維復(fù)合材料使用在葉片根部時(shí)，可以增加根部材料的承載強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度，促使施加在螺栓上的動(dòng)態(tài)載荷減少，同時(shí)增加根部法蘭處的螺栓數(shù)量，從而增加葉片和輪轂連接處的靜態(tài)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。

（4）葉片前后緣防雷系統(tǒng)：碳纖維復(fù)合材料使用于風(fēng)機(jī)葉片的前后緣，不僅可以提高葉片剛度、降低葉片質(zhì)量，利用特殊設(shè)計(jì)還可以具備避雷效果，降低自然雷電對(duì)葉片的損傷。

（5）靠近葉尖部分：據(jù)LM公司的專利報(bào)道，在靠近葉尖部分占整個(gè)葉片長(zhǎng)度25%到50%的位置采用碳纖維復(fù)合材料，而在靠近葉根的部分有玻璃纖維復(fù)合材料制成，中間過渡區(qū)中碳纖維復(fù)合材料逐漸由玻璃纖維復(fù)合材料代替。由于靠近葉尖的部分采用玻璃纖維復(fù)合材料，其質(zhì)量較小，靠近葉根部分可以使用較少的材料，減少了在風(fēng)機(jī)輪毅上的負(fù)載。此外，剛度較大的葉尖部分可以減小由于葉片偏振太厲害以致葉片尖部擊打塔桿的危險(xiǎn)。相對(duì)較硬的葉尖部分和相對(duì)較低剛度的葉根部分形成了一個(gè)有利的偏斜形狀，氣動(dòng)阻尼增加，可以減少氣動(dòng)載荷。同時(shí)，中間過渡區(qū)的存在避免了碳纖維復(fù)合材料和玻璃纖維復(fù)合材料之間剛度的突然變化導(dǎo)致的應(yīng)力集中。

未來風(fēng)電的發(fā)展對(duì)碳纖維的用量將不斷增加，海上風(fēng)電機(jī)組的額定功率將超過20MW、轉(zhuǎn)子直徑約200m，碳纖維能夠?yàn)楹Ｉ巷L(fēng)力發(fā)電提供更輕質(zhì)、更抗拉力、更耐腐蝕的葉片和塔架材料。

2.2導(dǎo)流罩

風(fēng)力發(fā)電機(jī)導(dǎo)流罩是指風(fēng)機(jī)輪轂的外保護(hù)罩，由于在風(fēng)機(jī)迎風(fēng)狀態(tài)下，氣流會(huì)依照導(dǎo)流罩的流線型均勻分流，故稱導(dǎo)流罩。也稱為輪轂罩、輪轂帽等。輪轂罩的結(jié)構(gòu)一般分為整體型導(dǎo)流罩、分體型導(dǎo)流罩兩大類。常見的分體型導(dǎo)流罩是由3個(gè)1/3罩體部件和一個(gè)罩頭部件用機(jī)械連接的方法拼合而成。分體型導(dǎo)流罩的優(yōu)點(diǎn)是:模具簡(jiǎn)單，操作相對(duì)容易，拼裝靈活。整體型導(dǎo)流罩必須在組合模具中一次整體成型出來，對(duì)模具的要求較高，對(duì)工藝的操作要求也較高，所以并不常見。

導(dǎo)流罩是保護(hù)輪轂和內(nèi)部傳動(dòng)系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)的殼體結(jié)構(gòu)，其流線型的結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)有著良好的導(dǎo)向作用，可以在一定程度上減少紊流風(fēng)的形成，使葉片能夠更加高效地利風(fēng)能。因?yàn)閷?dǎo)流罩的主要作用是保護(hù)而非傳遞載荷，而且安裝在輪轂前端，在降低它的自身重量的同時(shí)，保證足夠的抗壓抗變形能力，通常需要用輕型復(fù)合材料制作。絕大部分風(fēng)機(jī)的導(dǎo)流罩是玻璃鋼材料制作，多采用真空導(dǎo)入模塑(VARTM)、Light RTM、手糊成型的方法成型制造。也有非玻璃鋼材質(zhì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)導(dǎo)流罩，如碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)流罩、鋁合金導(dǎo)流罩等，歐洲的風(fēng)機(jī)制造商選用的較多，其他國(guó)家和地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)并不常見。

圖5 碳纖維復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電機(jī)導(dǎo)流罩模型

2.3機(jī)艙罩

機(jī)艙罩是一種大型殼體結(jié)構(gòu)，其配套零件多，且造型復(fù)雜。以MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙罩為例，其外形尺寸為長(zhǎng)7-10m，寬3-4m，高4m。這樣的尺寸進(jìn)行整體.成型制造比較困難，故需要將機(jī)艙罩劃分成多塊殼體結(jié)構(gòu)單獨(dú)成型，再進(jìn)行組裝。在組裝時(shí)，先將關(guān)鍵零部件安裝在主機(jī)架上，再將機(jī)艙罩主殼體掛在主機(jī)架上，最后將剩余殼體與主殼體通過螺栓聯(lián)接整合。

圖6 風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙罩

機(jī)艙罩的主要作用是保護(hù)發(fā)電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等關(guān)鍵零部件。同時(shí)，考慮到機(jī)艙罩工作環(huán)境惡劣，機(jī)艙罩需要有耐候性、抗溫差性、抗疲勞性、抗老化性、抗腐蝕性、抗紫外線輻射等。又考慮到機(jī)艙罩的主要作用是保護(hù)內(nèi)部零部件而非傳遞載荷，并且安裝在塔筒頂部，其所受載荷主要是自重和風(fēng)載等部.分外部載荷，需要對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制，不僅要求機(jī)艙罩重量輕、強(qiáng)度高、承載能力大，還要求其經(jīng)濟(jì)安全、安裝便捷。綜合.上述考慮，由于比重小，比強(qiáng)度和比模量大，防銹防腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，復(fù)合材料就成了風(fēng)機(jī)機(jī)艙罩的最佳選材。

風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙罩采用的是玻璃鋼,其密度介于1.5~2之間,僅為鋁合金的60%,并且玻璃鋼可以具有整體成形，這樣就大大節(jié)省了不同零部件之間連接時(shí)使用的鉚釘、螺桂等緊固件的數(shù)量，使機(jī)艙罩結(jié)構(gòu)的質(zhì)量減少20%左右。機(jī)艙罩主體采用玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)，夾芯以泡沫為主，如果某些區(qū)域需要打孔來安裝附件，用密度較大、硬度較高的材料替代泡沫夾芯。機(jī)艙罩連接法蘭和開口處強(qiáng)度要求比較高，采用全玻璃鋼結(jié)構(gòu)。機(jī)艙罩內(nèi)部的縱、橫加強(qiáng)筋是為了增加罩體的強(qiáng)度和剛度。

2.4基礎(chǔ)混凝土

海上風(fēng)電基礎(chǔ)關(guān)鍵材料混凝土的綜合性能尤其是防腐性能決定著機(jī)組的壽命及維護(hù)成本。海洋環(huán)境中大量的有害離子、漲潮退潮及海浪沖洗導(dǎo)致混凝土處于強(qiáng)烈的腐蝕環(huán)境。大溫差導(dǎo)致混凝土處于凍融循環(huán)而易出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，降低風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的承載能力及使用壽命。因此，提高海上風(fēng)電基礎(chǔ)混凝土的綜合性能以提高結(jié)構(gòu)耐久性是海上風(fēng)電面臨的重大問題。

2.5栓接連接件

海上風(fēng)電惡劣的腐蝕環(huán)境及復(fù)雜的載荷環(huán)境對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)錨桿組件、風(fēng)電葉片螺栓組件、混塔連接件等栓接連接件提出了更高的性能要求，常規(guī)金屬栓接連接件因有限的防腐性能而應(yīng)用受到限制。具有質(zhì)輕高強(qiáng)、耐腐蝕、抗疲勞、電氣絕緣等顯著優(yōu)勢(shì)的高性能纖維復(fù)合材料栓接連接件在海上風(fēng)電扮演著越來越重要的角色?，F(xiàn)有高性能復(fù)合材料栓接連接件多為小規(guī)格（一般M20以下），通常利用高性能纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料及連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料等材料體系經(jīng)過熱拉擠成型、對(duì)模成型、機(jī)械加工、模壓成型、纏繞成型、三維編制、注塑成型和拉擠-纏繞成型等方式制備。復(fù)合材料栓接連接件的某些力學(xué)性能（如抗拉強(qiáng)度等）達(dá)到了常規(guī)金屬栓接連接件的性能要求，并有望突破尺寸及性能瓶頸。

結(jié)語

復(fù)合材料因具有質(zhì)輕高強(qiáng)、抗疲勞、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)和易加工成型等優(yōu)點(diǎn)在海上風(fēng)電中具有廣闊應(yīng)用空間及應(yīng)用前景，復(fù)合材料已成功應(yīng)用于海上風(fēng)電葉片、風(fēng)機(jī)導(dǎo)流罩、機(jī)艙罩、基礎(chǔ)混凝土、栓接連接件等方面。復(fù)合材料的使用將使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向輕質(zhì)、大型化發(fā)展，整體發(fā)電效率提高，且隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷發(fā)展、風(fēng)機(jī)容量不斷增大及新材料廣泛應(yīng)用，風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)迎來了更大的空間，海上風(fēng)電復(fù)合材料市場(chǎng)前景廣闊。復(fù)合材料在風(fēng)電領(lǐng)域的規(guī)模化推廣應(yīng)用以及逐步成熟的風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)將促使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相關(guān)制造廠商良性競(jìng)爭(zhēng)，不斷進(jìn)行技術(shù)革新，促進(jìn)復(fù)合材料的成型技術(shù)向低成本化方向發(fā)展。