第一節(jié) 國(guó)際風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片發(fā)展軌跡綜述

葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中最基礎(chǔ)和最關(guān)鍵的部件，其良好的設(shè)計(jì)、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行的決定因素。惡劣的環(huán)境和長(zhǎng)期不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)葉片的要求有：比重輕且具有最佳的疲勞強(qiáng)度和機(jī)械性能，能經(jīng)受暴風(fēng)等極端惡劣條件和隨機(jī)負(fù)荷的考驗(yàn)；葉片的彈性、旋轉(zhuǎn)時(shí)的慣性及其振動(dòng)頻率特性曲線都正常，傳遞給整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)荷穩(wěn)定性好；耐腐蝕、紫外線照射和雷擊的性能好；發(fā)電成本較低，維護(hù)費(fèi)用最低。

對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言，碳纖維是即將來(lái)臨的潮流。一般較小型的葉片(如22m長(zhǎng))選用量大價(jià)廉的E-玻纖增強(qiáng)塑料，樹(shù)脂基體以不飽和聚酯為主，也可選用乙烯酯或環(huán)氧樹(shù)脂，而較大型的葉片(如42m以上)一般采用CFRP或CF與GF的混雜復(fù)合材料，樹(shù)脂基體以環(huán)氧為主。設(shè)計(jì)師們?cè)趯ふ逸p質(zhì)高強(qiáng)度材料的過(guò)程中，選擇了碳纖維應(yīng)用于葉片設(shè)計(jì)中。因此，玻璃纖維和碳纖維是目前葉片制造中最為重要的兩種材料。

為滿足上述要求，提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，葉片的尺寸增大可以改善風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性，降低成本。葉片長(zhǎng)度從1980年的4.5m發(fā)展到今天的61.5m，容量從當(dāng)初的55kW發(fā)展到今天的5MW。1970年的風(fēng)力機(jī)葉片主要有鋼材、鋁材或木材制成，今天選擇的材料以E-玻纖增強(qiáng)塑料(GFRP)居多，目前已開(kāi)始采用碳纖維復(fù)合材料(CFRP)，葉片材料的開(kāi)發(fā)順應(yīng)了葉片大型化和輕量化的方向發(fā)展。

1、木制葉片及布蒙皮葉片

近代的微、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)也有采用木制葉片的，但木制葉片不易做成扭曲型。大、中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)很少用木制葉片，采用木制葉片的也是用強(qiáng)度很好的整體木方做葉片縱梁來(lái)承擔(dān)葉片在工作時(shí)所必須承擔(dān)的力和彎矩。

2、鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片

葉片在近代采用鋼管或D型型鋼做縱梁，鋼板做肋梁，內(nèi)填泡沫塑料外覆玻璃鋼蒙皮的結(jié)構(gòu)形式，一般在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上使用。葉片縱梁的鋼管及D型型鋼從葉根至葉尖的截面應(yīng)逐漸變小，以滿足扭曲葉片的要求并減輕葉片重量，即做成等強(qiáng)度梁。

3、鋁合金等弦長(zhǎng)擠壓成型葉片

用鋁合金擠壓成型的等弦長(zhǎng)葉片易于制造，可連續(xù)生產(chǎn)，又可按設(shè)計(jì)要求的扭曲進(jìn)行扭曲加工，葉根與輪轂連接的軸及法蘭可通過(guò)焊接或螺栓連接來(lái)實(shí)現(xiàn)。鋁合金葉片重量輕、易于加工，但不能做到從葉根至葉尖漸縮的葉片，因?yàn)槟壳笆澜绺鲊?guó)尚未解決這種擠壓工藝。

4、玻璃鋼葉片

所謂玻璃鋼(glass fiber reinforced plastic，簡(jiǎn)稱GFRP)就是環(huán)氧樹(shù)脂、不飽和樹(shù)脂等塑料滲入長(zhǎng)度不同的玻璃纖維或碳纖維而做成的增強(qiáng)塑料。增強(qiáng)塑料強(qiáng)度高、重量輕、耐老化，表面可再纏玻璃纖維及涂環(huán)氧樹(shù)脂，其它部分填充泡沫塑料。玻璃纖維的質(zhì)量還可以通過(guò)表面改性、上漿和涂覆加以改進(jìn)。LM玻璃纖維公司現(xiàn)致力于開(kāi)發(fā)長(zhǎng)達(dá)54m的全玻纖葉片，其單位kWh成本較低。

5、玻璃鋼復(fù)合葉片

上世紀(jì)末，世界工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的大、中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)品的葉片，基本上采用型鋼縱梁、夾層玻璃鋼肋梁及葉根與輪轂連接用金屬結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料做葉片。風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)子葉片用的材料根據(jù)葉片長(zhǎng)度不同而選用不同的復(fù)合材料，目前最普遍采用的是玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹(shù)脂、玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂和碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂。美國(guó)的 研究 表明，采用射電頻率等離子體沉積去涂覆E-玻纖，其耐拉伸疲勞就可以達(dá)到碳纖維的水平，而且經(jīng)這種處理后可以降低能實(shí)際上導(dǎo)致?lián)p害的纖維間微振磨損。LM玻璃纖維公司進(jìn)一步開(kāi)發(fā)以玻璃鋼為主，在橫梁和葉片端部只少量選用碳纖維的61m大型葉片，以發(fā)展5MW的風(fēng)力機(jī)。

6、碳纖維復(fù)合葉片

隨著發(fā)電單機(jī)功率的增大，要求葉片長(zhǎng)度不斷增加，其在風(fēng)力發(fā)電上的應(yīng)用也將會(huì)不斷擴(kuò)大。對(duì)葉片來(lái)講，剛度也是一個(gè)十分重要的指標(biāo)。 研究 表明，碳纖維(carbon fiber，簡(jiǎn)稱CF)復(fù)合材料葉片剛度是玻璃鋼復(fù)合葉片的兩至三倍。雖然碳纖維復(fù)合材料的性能大大優(yōu)于玻璃纖維復(fù)合材料，但價(jià)格昂貴，影響了它在風(fēng)力發(fā)電上的大范圍應(yīng)用。因此，全球各大復(fù)合材料公司正在從原材料、工藝技術(shù)、質(zhì)量控制等各方面深入 研究 ，以求降低成本。

第二節(jié) 中國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片發(fā)展?fàn)顩r構(gòu)成

1、技術(shù)的先進(jìn)性及對(duì)技術(shù)產(chǎn)品產(chǎn)生的影響

上世紀(jì)80年代，歐洲復(fù)合材料葉片工業(yè)的創(chuàng)始人，現(xiàn)英國(guó)瑞爾科技有限公司董事長(zhǎng)兼首席技術(shù)官Jim Platts教授在英國(guó)懷特島創(chuàng)建了木質(zhì)復(fù)合材料葉片生產(chǎn)基地，以芬蘭樺木復(fù)合材料為主要材料制造風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，并獲得的成功。經(jīng)過(guò)20多年的生產(chǎn)實(shí)踐，該產(chǎn)業(yè)基地積累了豐富的生產(chǎn)工藝經(jīng)驗(yàn)，并將這些經(jīng)驗(yàn)加以記錄和整理成一整套生產(chǎn)工藝文檔。

2004年，瑞爾科技開(kāi)始調(diào)研適合作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片主要材料的中國(guó)本土材料。經(jīng)過(guò)2年的大量測(cè)試數(shù)據(jù)的比較，發(fā)現(xiàn)在所有的材料中，唯一比芬蘭樺木具有更高力學(xué)性能且性價(jià)比更好的材料是中國(guó)的毛竹。所以，瑞爾科技最終決定利用竹質(zhì)復(fù)合材料代替芬蘭樺木復(fù)合材料生產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，并在國(guó)際竹藤網(wǎng)絡(luò)中心和大莊地板公司的協(xié)助下針對(duì)毛竹進(jìn)行了更加詳細(xì)的試驗(yàn)測(cè)試?，F(xiàn)在，木質(zhì)復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的制造工藝已經(jīng)與竹材的選材、測(cè)試和加工進(jìn)行了充分的融合，最終成為竹質(zhì)復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電機(jī)生產(chǎn)技術(shù)。

委估技術(shù)包括設(shè)計(jì)技術(shù)、生產(chǎn)技術(shù)、原材料工藝要求和測(cè)試技術(shù)，貫穿產(chǎn)品生產(chǎn)的全過(guò)程。

2、技術(shù)的壟斷與競(jìng)爭(zhēng)

竹質(zhì)復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片在世界上尚屬首創(chuàng)，之前從未有任何一家團(tuán)體或個(gè)人將竹材引入風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的生產(chǎn)。其他機(jī)構(gòu)目前不掌握上述技術(shù)。

3、技術(shù)的性能

與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片制造技術(shù)降低了啟動(dòng)工業(yè)的資金密集程度，提高了生產(chǎn)效率，提高了產(chǎn)品性價(jià)比。并且，采用木材作為主要結(jié)構(gòu)材料，大大降低了生產(chǎn)能耗，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)更加符合環(huán)保要求。

瑞爾科技通過(guò)近兩年的科學(xué) 研究 和試驗(yàn)測(cè)試，證明中國(guó)毛竹優(yōu)于制作風(fēng)力發(fā)電機(jī)樹(shù)脂增強(qiáng)復(fù)合木質(zhì)槳葉的芬蘭樺木。與現(xiàn)有的木質(zhì)材料和玻璃纖維材料相比，國(guó)毛竹竹材在以下關(guān)鍵參數(shù)中擁有更好的性能：拉伸強(qiáng)度/密度（拉密比）、壓縮強(qiáng)度/密度（壓密比）、彈性模量/密度、抗疲勞性能。同時(shí)竹質(zhì)復(fù)合材料的引入可大量減少價(jià)格昂貴的碳纖維的用量，從而大大的降低了風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的制造成本。另外，與木材相比，竹材具有更好的性價(jià)比、能耗產(chǎn)出比和更快的生長(zhǎng)速度，因此能夠進(jìn)一步提高風(fēng)槳的性能價(jià)格比。

4、技術(shù)的成熟程度

瑞爾科技擁有的木質(zhì)復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的生產(chǎn)工藝文檔，是一個(gè)生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)20年的生產(chǎn)工藝經(jīng)驗(yàn)的積累，同時(shí)還詳細(xì)的記錄了該生產(chǎn)工藝發(fā)展進(jìn)步的歷程?，F(xiàn)在Vestas仍然沿用原有技術(shù)在懷特島生產(chǎn)，并計(jì)劃依此在中國(guó)進(jìn)行木質(zhì)葉片的生產(chǎn)，進(jìn)一步說(shuō)明了該技術(shù)的成熟度和先進(jìn)性。

5、技術(shù)的保護(hù)措施及有效程度

技術(shù)保護(hù)從三個(gè)方面進(jìn)行：與技術(shù)團(tuán)隊(duì)核心人員簽訂保密協(xié)議和離職非競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議；不斷完善設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，并不斷開(kāi)發(fā)新技術(shù)。擬申請(qǐng)注冊(cè)發(fā)明專利，對(duì)產(chǎn)品核心技術(shù)進(jìn)行保護(hù)。

6、技術(shù)的經(jīng)濟(jì)壽命周期

技術(shù)的經(jīng)濟(jì)壽命主要受替代技術(shù)的出現(xiàn)時(shí)間影響。根據(jù)評(píng)估人員與瑞爾科技相關(guān)技術(shù)人員多次討論以及征詢風(fēng)力發(fā)電業(yè)內(nèi)專家的意見(jiàn)，認(rèn)為該技術(shù)的獲利能力在10年左右。

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