自20世紀(jì)90年代起，風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造業(yè)年平均增長率達(dá)30％，是當(dāng)今增長率最快的行業(yè)之一。2004年全新增容量為600萬kW，累計全鳳力發(fā)電機(jī)組總裝機(jī)容量為4 600萬kw。

     風(fēng)能事業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展。風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志之一是風(fēng)力機(jī)單機(jī)容量的增大。新型大型風(fēng)力機(jī)不斷出現(xiàn)并得到迅速推廣應(yīng)用，兆瓦級的機(jī)組大量投入了應(yīng)用。1994年以前，上最大量使用的風(fēng)力機(jī)組單機(jī)容量在200kW（葉片長10m左右）以下，1996年300 kW（葉片長14 m左右）成為主流機(jī)型。1998年600 kW（葉片長21 m左右）機(jī)組成為重要機(jī)型。1999年以后，大量單機(jī)容量在1 MW或1 MW（葉片長30-40 m左右）以上的機(jī)型進(jìn)入風(fēng)電市場。當(dāng)年風(fēng)電市場上，兆瓦機(jī)組的市場占有率為27％，到了2000年兆瓦機(jī)的市場占有率為40％。預(yù)計今后幾年，兆瓦級機(jī)組將在風(fēng)電市場上占絕對主導(dǎo)地位。目前己研制成功的最大的風(fēng)力機(jī)為5 MW，葉片長度達(dá)60m左右。

     隨著風(fēng)力機(jī)單機(jī)容量的增大，風(fēng)力機(jī)功率調(diào)節(jié)方式從較多的采用失速功率調(diào)節(jié)而轉(zhuǎn)到越來越多的采用變漿距和變速恒頻技術(shù)，以提高風(fēng)輪效率。這對風(fēng)輪葉片的設(shè)計提出了相應(yīng)的要求。
     單機(jī)容量的增長對風(fēng)電開發(fā)商帶來更大的經(jīng)濟(jì)上的好處，主要是風(fēng)電單位kw成本下降，單位kWh運(yùn)行成本下降，以及隨著單機(jī)容量的提高，輪毅高度相應(yīng)提高，風(fēng)力資源也隨著高度的提高而提高。
     隨著風(fēng)力機(jī)單機(jī)容量增大，葉片長度也相應(yīng)增長。葉片的長度增加，則重量也增加。葉片重量與風(fēng)輪半徑R近似成3次方關(guān)系。200 kW葉片單片重量約800 kg， 600 kW葉片單片重量約2 t， 1 MW葉片單片重量約4 t， 1.5MW葉片單片重量約6t，2 MW葉片單片重量約st。而5 MW葉片單片重量達(dá)10幾噸。故對復(fù)合材料葉片設(shè)計者來說，解決大型風(fēng)力機(jī)復(fù)合材料葉片的強(qiáng)剛度與重量的矛盾是一個挑戰(zhàn)。風(fēng)力機(jī)復(fù)合材料葉片技術(shù)的進(jìn)展也是設(shè)計、材料、工藝、裝備等綜合技術(shù)的進(jìn)展。

復(fù)合材料葉片主要在幾家著名葉片制造商進(jìn)行專業(yè)化生產(chǎn)，如丹麥的LM公司，Vestas公司則生產(chǎn)與其配套的葉片。LM公司為最大的葉片制造商，產(chǎn)品占據(jù)風(fēng)電市場的45%，葉片供應(yīng)給一流風(fēng)力機(jī)制造商，如NEGMicon、Bonus、Repower、Nodex及其他風(fēng)力機(jī)制造商。LM公司從 1980年推出首要片葉片（7.5 m長），經(jīng)過20多年發(fā)展，已成為在德國、荷蘭、西班牙、美國、印度均有子公司的最具實(shí)力的葉片制造商。至2000年已生產(chǎn)6萬片葉片，當(dāng)年生產(chǎn)7 200片葉片。目前上一些著名大風(fēng)力機(jī)制造商也開始生產(chǎn)為自己配套的玻璃鋼葉片，如丹麥的Bonus公司，德國的Enercon公司，西班牙的 Gamesa公司。
     我國可開發(fā)利用的風(fēng)能資源有10億kw，其中陸地2.5億kW，現(xiàn)在僅開發(fā)了不到0.2%；近海地區(qū)有7．5億kW，風(fēng)能資源十分豐富。為了加快我國風(fēng)電的發(fā)展，在較短時間內(nèi)使我國風(fēng)電設(shè)計、制造技術(shù)水平得到大幅度提高，使建設(shè)成本和上網(wǎng)電價迅速降低，讓風(fēng)電成為能大規(guī)模提供清潔電力的重要能源，國家發(fā)改委根據(jù)我國風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀，借鑒國外風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)，制定了《風(fēng)力發(fā)電中長期發(fā)展規(guī)劃》。該規(guī)劃指出，到2010年全國風(fēng)電總裝機(jī)容量為400萬kW， 2015年1 000萬kW，2020年3 000萬kw。

     與國外相比，我國在風(fēng)電設(shè)備設(shè)計與制造技術(shù)上有一定的差距，尤其在兆瓦級風(fēng)力機(jī)技術(shù)上，我們還處于起步階段，不具備與外商競爭的能力。在“十一五”時期我國將繼續(xù)開展2-3 MW風(fēng)力機(jī)及復(fù)合材料葉片的攻關(guān)。通過攻關(guān)，使我們的風(fēng)電技術(shù)有所突破、有所創(chuàng)新，并形成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，使我國的風(fēng)電設(shè)備制造技術(shù)逐步接近國外先進(jìn)水平。

      大型風(fēng)力機(jī)關(guān)鍵技術(shù)之一是復(fù)合材料葉片的研制，它涉及到空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、結(jié)構(gòu)試驗(yàn)、復(fù)合材料、工藝制造、模具裝備等技術(shù)領(lǐng)域，技術(shù)難度最大。目前上極大多數(shù)葉片采用玻璃鋼／復(fù)合材料制造，主要考慮玻璃鋼／復(fù)合材料有一些優(yōu)點(diǎn)是其他材料所不具備的。

    （1）它可根據(jù)風(fēng)力機(jī)葉片的受力特點(diǎn)設(shè)計強(qiáng)度與剛度，利用纖維受力為主的理論，可把主要纖維安排在葉片的縱向，減少材料用量，減輕葉片的重量。

    （2）容易成型。葉片具有復(fù)雜的氣動外形，如用金屬制造就很困難，而用復(fù)合材料制造則容易得多，模具制成后，可以進(jìn)行批量生產(chǎn)。

    （3）優(yōu)良的力學(xué)性能。葉片使用壽命20年，要求葉片具有良好的疲勞強(qiáng)度。玻璃鋼的疲勞強(qiáng)度較高，缺口敏感性低，具有良好的疲勞性能。此外，玻璃鋼的內(nèi)阻尼大，抗震性能較好。

    （4）耐腐蝕性好。風(fēng)力機(jī)安裝在外，近年來又大力發(fā)展離岸風(fēng)電場，風(fēng)力機(jī)安裝在海上，風(fēng)力機(jī)組及葉片要受到各種氣候環(huán)境的影響，要具有耐酸、堿、水汽的性能。而玻璃鋼復(fù)合材料具有這種優(yōu)良的性能，能在這種惡劣環(huán)境下較長時間的工作。

      風(fēng)力機(jī)葉片開發(fā)的首要任務(wù)是進(jìn)行氣動設(shè)計。葉片的氣動設(shè)計很重要，涉及到風(fēng)力機(jī)組能否獲得所需的功率。葉片氣動設(shè)計包括氣動外形設(shè)計及氣動性能計算。根據(jù)風(fēng)力機(jī)總體性能要求確定風(fēng)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(shè)計可采用氣動性能優(yōu)化理論。該理論基于葉片的每一剖面輸出功率最大，從而導(dǎo)出最佳氣動外形。理論設(shè)計外形需結(jié)合考慮葉片構(gòu)造、工藝要求進(jìn)行修正。當(dāng)氣動外形確定后，可進(jìn)行氣動性能計算。對于定槳距失速控制風(fēng)力機(jī)組，應(yīng)進(jìn)行不同安裝角的風(fēng)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(fēng)輪失速性能。對于變距變速風(fēng)輪，要計算不同安裝角及不同轉(zhuǎn)速的風(fēng)輪性能，以確定風(fēng)輪運(yùn)行調(diào)節(jié)方案。風(fēng)力機(jī)葉片采用的翼型，以前大多采用傳統(tǒng)的NACA44， NACA230等飛機(jī)翼型，目前己采用專用于風(fēng)力機(jī)組的專用翼型，如NACA63、FX77等，以希望得到高的風(fēng)能利用系數(shù)，使風(fēng)輪的能量損失盡可能小。

     在復(fù)合材料葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，我們首先要進(jìn)行葉片構(gòu)造設(shè)計。而葉片根端連接形式與葉片剖面形式是構(gòu)造設(shè)計的重點(diǎn)。

     葉片與輪箍連接，使葉片成懸臂梁形式。作用在葉片上的載荷通過葉片根端連接傳到輪箍上，因此葉根的載荷最大。葉片上的載荷通過根端結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度、擠壓強(qiáng)度、或玻璃鋼與金屬的膠結(jié)強(qiáng)度傳遞到輪箍上的，而玻璃鋼的這些強(qiáng)度均低于其拉彎強(qiáng)度，因而葉片的根端是危險的部位，設(shè)計時應(yīng)予以重視。大型風(fēng)力機(jī)玻璃鋼葉片根端形式主要有：金屬法蘭、預(yù)埋金屬桿、T型螺栓等連接方式。金屬法蘭與葉根復(fù)合材料柱殼膠結(jié)，而不是用傳統(tǒng)的螺栓連接，以減輕根部的重量，也使得外形流暢，但對膠結(jié)工藝技術(shù)要求很高。國內(nèi)自主開發(fā)的大型風(fēng)力機(jī)葉片大多采用預(yù)埋金屬桿根端形式。金屬預(yù)埋桿與殼體的結(jié)合是關(guān)鍵。為確保根端結(jié)構(gòu)的安全可靠，須進(jìn)行金屬桿與玻璃鋼殼體結(jié)合強(qiáng)度的模擬試驗(yàn)。

      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，或用雙槽鋼形式，或用加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)。在后緣空腹處，采用夾層結(jié)構(gòu)。葉片上大部分彎曲荷載由主梁承擔(dān)，蒙皮起氣動外形作用，并可承擔(dān)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(qiáng)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(qiáng)的層板結(jié)構(gòu)，也有采用夾層結(jié)構(gòu)，以提高蒙皮的強(qiáng)剛度。主梁用單向程度較高的織物增強(qiáng)，以提高強(qiáng)度與剛度。夾芯材料可采用PVC泡沫或Balsa輪廓板。這些芯材有較高的剪切模量，組成的夾層結(jié)構(gòu)有良好的剛度特性。為減輕葉片重量，提高強(qiáng)度與剛度，可采用碳／?；祀s纖維增強(qiáng)葉片，如用炭纖維增強(qiáng)主梁，或全炭纖維增強(qiáng)葉片。

國外有專家指出，葉片大于40 m ，應(yīng)采用炭纖維。如Nodex己開發(fā)了43.8 m碳／玻混雜葉片，重9.6t。Enercon研發(fā)的風(fēng)輪直徑112 m炭纖維葉片，用于4.5 MW陸上和海上風(fēng)場。NOI公司、Vestas公司也正進(jìn)行炭纖維葉片的研發(fā)，用于3-5MW風(fēng)力機(jī)。據(jù)國外專家分析指出，對于兆瓦級大型風(fēng)力機(jī)葉片，采用碳／玻混雜纖維增強(qiáng)，可以降低葉片重量30％，減少葉尖撓度18%-29%。目前由于炭纖維價格高，限制了它在大型葉片上的應(yīng)用。今后炭纖維能形成較大規(guī)模的生產(chǎn)，價格降到人們可接受的心理價位，炭纖維必將在兆瓦級大型風(fēng)力機(jī)葉片生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

     葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考慮：制訂荷載規(guī)范、荷載計算、極限強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算、變形計算、固有頻率計算、屈曲穩(wěn)定計算。

     根據(jù)風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片規(guī)范，對于風(fēng)力機(jī)組的葉片，要求能承受瞬時風(fēng)速50-70 m/s的暴風(fēng)，使用壽命達(dá)20 a。葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計要考慮的安全系數(shù)有荷載局部安全系數(shù)、材料局部安全系數(shù)。對于大型風(fēng)力機(jī)葉片，要承受如此大的極限荷載和長期復(fù)雜的疲勞荷載，同時要求有足夠的安全系數(shù)，其重量與強(qiáng)度、剛度的矛盾勢必特出。要在滿足葉片的強(qiáng)度與剛度的條件下，減輕葉片的重量，要求我們對葉片進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，選擇性能良好的增強(qiáng)材料，以提高玻璃鋼層板的強(qiáng)度與模量，必要時要采用炭纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

     風(fēng)力機(jī)葉片的固有頻率是重要的動態(tài)性能參數(shù)。作用在葉片上氣動荷載是動荷載，其頻率為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的整倍數(shù)。對于3葉片風(fēng)力機(jī)組，頻率為轉(zhuǎn)速3倍的動荷載分量最大。為避免葉片共振，或產(chǎn)生較大的動應(yīng)力，規(guī)范要求葉片的一階頻率高與3倍轉(zhuǎn)速頻率20％。通過葉片復(fù)合材料鋪層設(shè)計，氣動外形的優(yōu)化，可以使葉片的頻率滿足動態(tài)性能要求。

     大型風(fēng)力機(jī)葉片采用空腔結(jié)構(gòu)形式，在氣動荷載作用下，在葉片局部受壓區(qū)域可能發(fā)生突然損壞，我們稱為曲屈失穩(wěn)現(xiàn)象。葉片后緣空腔較寬，易發(fā)生失穩(wěn)。為此我們采用夾層結(jié)構(gòu)。芯層的厚度、面層的厚度可采用復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論進(jìn)行設(shè)計計算。

     風(fēng)輪葉片國家標(biāo)準(zhǔn)及中國船級社關(guān)于風(fēng)力機(jī)的認(rèn)證規(guī)范，均要求進(jìn)行葉片結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，以驗(yàn)證設(shè)計的準(zhǔn)確性及制造工藝的質(zhì)量。結(jié)構(gòu)試驗(yàn)內(nèi)容主要為設(shè)計荷載下葉片的靜態(tài)強(qiáng)度與剛度測試、葉片一階揮舞與擺振頻率測試、疲勞試驗(yàn)。國外風(fēng)力機(jī)制造業(yè)發(fā)達(dá)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(jìn)行葉片認(rèn)證。我國還未建國家級風(fēng)力機(jī)測試中心，葉片的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)在船級社指導(dǎo)下在廠家進(jìn)行。全尺寸葉片疲勞試驗(yàn)是重要試驗(yàn)內(nèi)容，在實(shí)驗(yàn)室里驗(yàn)證葉片能否使用20年。根據(jù)葉片疲勞荷載譜，在20 a使用期，疲勞荷載交變次數(shù)達(dá)10 8 次量級。對于大型葉片，試驗(yàn)加載速度1次/s左右。為加速疲勞試驗(yàn)速度，應(yīng)加大荷載，減少試驗(yàn)次數(shù)，一般加載次數(shù)達(dá)500萬次，需2-3個月。試驗(yàn)荷載譜應(yīng)根據(jù)損傷等效原則確定。我們在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了300 kW、660 kW、1MW葉片疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)進(jìn)行了500萬次，通過了船級社的認(rèn)證。

     國際上極大多數(shù)國家要求所安裝的風(fēng)力機(jī)得到認(rèn)證，以保證其質(zhì)量。歐盟建議采用IEC標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一認(rèn)證規(guī)則和要求。IEC有關(guān)葉片技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：IEC 1400-1《風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)安全》。此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了葉片荷載工況、局部安全系數(shù)、檢驗(yàn)要求等；IEC 1400-23《風(fēng)輪葉片測量技術(shù)》，規(guī)定了葉片靜態(tài)強(qiáng)剛度測量、頻率測量及疲勞測試方法。我國風(fēng)力機(jī)標(biāo)準(zhǔn)委員會組織制訂了一系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，其中關(guān)于大型風(fēng)力機(jī)葉片的標(biāo)準(zhǔn)：《風(fēng)力機(jī)組風(fēng)輪葉片》。該標(biāo)準(zhǔn)基本上參照了IEC標(biāo)準(zhǔn)與德國勞埃德船級社規(guī)范。標(biāo)準(zhǔn)對復(fù)合材料葉片的材料選擇、制造工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面均做出規(guī)定。中國船級社組織制訂了風(fēng)力機(jī)認(rèn)證規(guī)范。國家標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證規(guī)范的頒布實(shí)施，使國內(nèi)生產(chǎn)廠家按與國際標(biāo)準(zhǔn)等效的技術(shù)要求進(jìn)行整機(jī)及部件的設(shè)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(diǎn)上參與國內(nèi)與國際競爭。

     大型風(fēng)力機(jī)葉片大多采用組裝方式制造。分別在兩個陰模上成型葉片蒙皮，主梁及其他玻璃鋼部件分別在專用模具上成型，然后在主模具上把兩個蒙皮、主梁及其他部件膠接組裝在一起，合模加壓固化后成整體葉片。膠粘劑是葉片的重要結(jié)材料，直接關(guān)系到葉片的強(qiáng)剛度。要求膠粘劑具有較高的強(qiáng)度和良好的韌性，要有良好的操作工藝性，如具有不坍塌、易泵輸、低溫固化特性。

      在國外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(jìn)的工藝。如LM公司采用VARTM工藝，Vestas采用預(yù)浸料工藝，以及真空輔助灌注工藝。

      預(yù)浸料在國外運(yùn)用非常廣泛，而且其工藝及裝備也發(fā)展到了相當(dāng)成熟的地步。在這方面丹麥的Vestas是一個成功的應(yīng)用先例。Vestas用于生產(chǎn)大型風(fēng)力葉片的玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂是一種低溫固化預(yù)浸料。實(shí)際葉片生產(chǎn)中，由于葉片的蒙皮、主梁、根部等各個部位的力學(xué)性能及工藝的要求各不相同，因而為降低成本，充分發(fā)揮各部分的優(yōu)點(diǎn)，各部分使用各種不同的預(yù)浸料制品。

     真空輔助灌注成型工藝是最近幾年發(fā)展起來的一種改進(jìn)的RTM工藝。真空輔助灌注技術(shù)是應(yīng)用真空，借助于鋪在結(jié)構(gòu)層表面的高滲透率的介質(zhì)引導(dǎo)，將樹脂注入到結(jié)構(gòu)鋪層中的一種工藝技術(shù)，多用于成型形狀復(fù)雜的大型厚壁制品，國外在成型大型玻璃鋼產(chǎn)品中有所應(yīng)用。我國玻璃鋼葉制造廠家由于受市場，技術(shù)、材料、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。但對于兆瓦級大型的風(fēng)力機(jī)葉片，由于葉片體形龐大，如1.5 MW風(fēng)力機(jī)葉片，最寬處達(dá)3 100 mm，應(yīng)用傳統(tǒng)的手糊成型工藝已很難實(shí)施，況且手糊成型具有生產(chǎn)效率低，勞動強(qiáng)度大，勞動衛(wèi)生條件差，產(chǎn)品質(zhì)量不易控制，性能穩(wěn)定性不高，產(chǎn)品力學(xué)性能較低的缺點(diǎn)。真空輔助灌注技術(shù)是解決這一難題的一種新的成型工藝。我們在研制“863”項(xiàng)目MW風(fēng)力機(jī)葉片時采用了真空輔助灌注工藝。通過多次試驗(yàn)摸索，解決了一系列技術(shù)問題，如布管方式、真空度控制、樹脂選擇、層板皺折等，取得了很好的效果，使我們的葉片成型工藝技術(shù)水平提高了一個層次。目前1.5 MW葉片的生產(chǎn)也應(yīng)用該技術(shù)。