前言
      能源作為國民經濟的基礎，對社會、經濟發展和提高人民生活質量都極為重要，在高速增長的經濟環境下，能源工業面臨經濟增長與環境保護的雙重壓力。走持續發展道路，在確保社會不斷進步發展的同時保護生態環境已為越來越多的國家所共識。因此盡可能多地利用清潔新能源替代礦物燃料是當今世界能源發展的必然趨勢。自1992年聯合國全球環境與發展大會后，世界各國明顯加強了新能源領域的技術研究和交流，新能源的開發利用必將受到越來越多的關注。
      新能源一般指太陽能、風能、地熱能、生物質能和海洋能等這類可再生能源。在當今世界新能源的開發中，風力發電是開發得最為有效的一種可再生能源。究其原因，主要為以下幾方面的優越性：
      風能是一種干凈的可再生的能源，取之不盡，無污染；
      風能技術日趨成熟，風力機單機容量不斷增大，產品質量顯著提高；
      風力發電的經濟性日益提高，已接近煤電，比油電和核電低；
      風電工程建設周期短，占地少，運行成本低。
      玻璃鋼復合材料由于其獨特的性能，在風力機組部件葉片、機艙罩與導流罩得到了廣泛的應用。一些世界著名復合材料材料商、設備商競相參與風能領域，為葉片制造商提供配套。玻璃鋼復合材料風能產品已成為玻璃鋼復合材料行業一塊重要的產業。
1，國外風能發展概況
      據統計，全球風能資源在500000Twh/年。考慮到社會、地理環境等因素，實際可開發的風能資源約為總的風能資源的1/10。
      風電起源于20世紀70年代，由于受環境與能源的雙重壓力，美國政府對發展風電給予一系列優惠政策，推動了風電的發展，也使人們開始真正認識了風電。風電技術成熟于80年代，由于許多國家相繼成立了風電科研機構與開發部門，風力機單機容量成倍增加，其可利用率也提高到95％以上，使得風力機達到實用化目標。并網型風力機從80年代的20KW～50KW，到90年代的500KW～800KW。90年代中期1～2MW風力機樣機研制成功，并投入商品化運行。目前3～6MW樣機也研制成功，將主要用于海上風場。
      風電的投資主體發生了較大變化，國家、地區、電力部門、金融機構、財團等紛紛集資用于風電開發建設。使全世界風電每年以30％的速度增長。
       從世界范圍來看，德國風力發電位于世界之首，累計裝機容量6107MW。美國2610MW，丹麥2341MW，西班牙2836MW。歐洲的風電占世界的75％。根據規劃，2010年全歐洲裝機容量要達到40，000MW，2020年要達到100，000MW。丹麥計劃到2030年，可再生能源包括風能要提供全國40～50％的電力消耗。
      在過去的20年里，風力機工業發展成專業的高技術企業。風力機制造商集中在少數公司，大多數為歐洲公司。圖二為世界10大風力機制造商2000年累計產量。圖略
      前4位最大制造商在1998年占據市場份額70％。根據丹麥風力機制造商協會統計，1998年丹麥制造商生產1210MW風力機，產值10億美元。推測全球風力機制造企業銷售20億美元。在90年代風力機制造業平均年增長率達30％，今后若干年也將有相同的增長率。風力機制造業是世界增長率最快的行業之一。
2，我國風能發展概況
      我國風能資源極其豐富。理論儲量為16億千瓦，全國可開發利用的風能資源總量為2.53億千瓦，大于我國的水能資源。根據資源、土地、交通、電網等條件確定近期具備開發條件的風場約50個，分布在全國11個省，其中新疆達坂城、內蒙輝騰錫勒、河北張北、吉林通榆、上海崇明、廣東南澳等地均具備裝機100MW的條件。
      自70年代起，我們為了解決西部草原牧區、東部海島及邊遠山區的用電問題，國家鼓勵開發獨立式小型風力機。國內各風電科研機構主要從事小型風力機的研制開發，并形成相當規模。目前國內擁有這類風力機18萬臺，為電網不能達到的地區的60萬居民解決了用電問題。我國小型風力機的生產能力、生產量、社會保有量均為世界之首。
      93年我國明確提出了要將風電作為一個產業來抓，96年國家制訂了“乘風”計劃。此計劃旨在通過組建合資企業，引進技術，通過消化吸收，達到自主開發、自行設計制造大型風力機。國家又制訂了“光明工程”，開發利用可再生能源，包括風能，為遠離電網的地區提供電能。由于政府的支持，90年代中后期，我國的風能達到了長足的發展，風電場數量與規模逐步擴大，在建設、運行、管理等方面都取得了許多成功經驗，初步具備了規模性開發建設風電的能力和條件。目前全國有十幾家公司從事風電場的建設、開發運營。建成規模不等的風電場20多個，裝機容量已超過400MW。圖三為中國各年累計裝機容量。圖略
      根據規劃，到2005年全國累計裝機容量要達到1500MW，2006～2010年裝機容量達到，2011～2015年累計全國裝機容量達到7000MW。
3，葉片技術進展
       隨著風力機單機容量的不斷增大，葉片長度也隨之增長。由200KW風力機葉片10m長增加到600KW的21m長。1MW～2MW風力機葉片長30m～40m。目前最長的葉片長60m左右。葉片長度增加，極大增加了葉片設計、材料、制造的難度。故大型葉片技術的進展是設計、材料、工藝、裝備綜合技術的進展。
      風電的發展 除在裝機容量上有較大的增長，在技術上有十分明顯的發展。從功率調節上當前世界上主要流行4種技術：定槳距失速控制、變槳距、主動失速控制、變速恒頻。當前MW級風力機大多采用變速恒頻技術。風力機不同調節方式對葉片的氣動設計乃至葉片結構均有特殊要求。
      葉片是風力機的關鍵部件之一，涉及氣動、復合材料結構、工藝等領域，尤其MW級大型復合材料葉片的設計制造難度很高。故其價格要占機組的18～22％左右。在國外葉片是專業化生產的，集中在幾家專業公司生產。最著名的葉片公司是丹麥的LM公司，至2000年已生產6萬片葉片，當年生產7200片葉片，占居世界市場的45％，在全世界有12 個工廠，有雇員2200人，并有全球的銷售服務網絡。在本部有一支專業從事葉片研發的部門，主要課題有葉片結構動力學、雷擊、氣動、結構測試等。世界十大風力機制造商之一的Vesta則為自己配套生產葉片，其風力機占據世界市場的17％。德國的NOI主要生產MW級風力機葉片。
      近來這種由專業化葉片生產商壟斷的局面要被打破。一些著名的風力機制造商開始自己生產葉片，如Nodex生產1.5MW變槳距葉片，其他大公司如Bonus、Gamese、Enercon等也在研發MW級葉片。
      我國在玻璃鋼葉片設計與制造技術方面與國外有一定的差距。葉片技術是風力機的關鍵技術，國外大公司輕易不肯轉讓技術或合作生產。為使玻璃鋼葉片能國產化，政府有關部門很重視葉片的研發，把葉片列入攻關項目與以支持。就我們承擔的攻關項目就有：“七五”“小型風力機玻璃鋼葉片系列研究”；“八五”“200KW風力機玻璃鋼葉片研制”；“九五”“300KW風力機玻璃鋼葉片研制”；科研院所專項資金“660KW風力機玻璃鋼葉片產業化”。“十五”期間，國家把MW級風力機研制列為“863”項目，包括.13MW定槳距失速控制風力機、1MW、1.5MW變速恒頻風力機。配套的葉片列為專項子課題。經過多年的攻關，我國已研發了200KW～750KW系列大型風力機玻璃鋼葉片，形成了批量生產，為風力機國產化奠定了基礎。
4， 葉片技術方面的若干問題
      (1)，氣動設計
      氣動設計包括：風輪氣動外形設計及氣動性能計算。根據風力機總體性能要求確定風輪直徑、葉片數、轉速，葉片弦長、葉厚、扭角分布。氣動外形設計可采用Wilson的氣動性能優化理論。該理論基于葉片片條理論，在某一設計概況下，使葉片的每一剖面輸出功率最大，導出最佳氣動外形。理論設計外形需結合考慮葉片構造、工藝要求進行修正。當氣動外形確定后，可進行氣動性能計算。對于定槳距失速控制風力機組，應進行不同安裝角的風輪輸出功率、Cp值、推力等參數，以確定葉片初始安裝角及風輪失速性能。對于變距變速風輪，要計算不同安裝角及不同轉速的風輪性能，以確定風輪運行調節方式。
       風力機葉片采用的翼型，由傳統的NACA44、NACA230翼型發展為風力機專用翼型，如NACA63、FX77、NREL－S等。這些翼型有較高的升阻比，氣動性能對葉片表面污染不敏感。我們還沒有自己開發的風力機翼型，均采用國外的。由于沒有收集到完整的有關翼型的氣動性能數據，給葉片氣動設計帶來較大的影響。
      (2)，葉片結構設計
      對于商品化的大型風力機葉片，有其典型的結構形式。葉片根端形式主要有膠接金屬法蘭，如Vestas生產的葉片；膠接金屬螺栓，如LM的葉片；T型螺栓，如NOI、Aerpac生產的葉片。上述形式的根端具有較高的承載力，根端過渡段曲線柔和，重量也較輕，一改翻邊法蘭的苯重外觀。
      葉片剖面基本上采用蒙皮加主梁的構造形式。主梁可采用整體箱型梁形式，如Vestas葉片，或用雙槽鋼形式，如LM葉片，或用加強肋結構。在剖面前、后緣空腹處，根據穩定計算確定是否采用夾層結構。葉片上大部彎曲荷載由主梁承擔，蒙皮起氣動外形作用，并可承擔部分荷載。這種剖面構造，可以減輕葉片重量，提高葉片的強度與剛度，避免葉片由彎曲產生的局部失穩。葉片蒙皮通常采用氈或雙向織物增強，主梁用單向程度較高的織物增強，以提高強度與剛度，夾芯材料可采用PVC泡沫或Balsa木。
      隨長度增加，玻璃鋼葉片重量增加很快，葉片重量與風輪半徑近似有R2.9關系，如40m長葉片單片葉片重10T，50m長葉片單片葉片重16T。葉片重量增加，加大了由葉片自重產生的疲勞荷載，也增加了機組其他部件的荷載。為減輕葉片重量，可采用碳/玻混雜增強葉片，如用碳纖維增強主梁，或全碳纖維增強葉片。國外有專家指出，葉片大于40m，應采用碳纖維，但LM公司認為即使更大的葉片，理論上也可采用玻璃鋼，可使用高性能玻纖/環氧方案。即使如此，該公司也在進行碳纖維葉片的研究。目前Nodex已開發了43.8m碳/玻混雜葉片，重9.6T。Enercon正研發用于112m直徑風輪碳纖維葉片，該葉片用于4.5MW商用陸上和海上風場。Enron公司、NOI公司Vestas公司也正進行碳纖維葉片的研發，用于3～5MW海上/陸上商用機的應用。據歐美專家分析指出，對于MW級大型風力機葉片，采用碳/玻混雜纖維增強，可以降低葉片重量30％，降低成本15％，減少葉尖撓度18～29％。
     (3)，葉片結構試驗
      風輪葉片國家標準及中國船級社關于風力機的認證規范，均要求進行葉片結構試驗，以驗證設計的準確性及制造工藝的質量。結構試驗內容主要為設計荷載下葉片的靜態強度與剛度、葉片一階揮舞與擺振頻率、疲勞試驗。國外風力機制造業發達國家如丹麥、荷蘭、美國，均有國家級葉片測試中心，并獲得政府授權，可進行葉片認證。我國還未建國家級風力機測試中心，葉片的結構試驗在船級社指導下在廠家進行。
      全尺寸葉片疲勞試驗是重要試驗內容，在實驗室里驗證葉片能否使用20年。根據葉片疲勞荷載譜，在20年使用期，疲勞荷載交變次數達108次量級。疲勞加載頻率一般為葉片的一階頻率，對于大型葉片在1HZ左右，故加載速度1～2次/秒。為加速疲勞試驗速度，應加大荷載，一般加載次數達100～500萬次，需2～3個月。試驗荷載譜應根據損傷等效原則確定。我們在實驗室進行了300KW、660KW葉片疲勞試驗，試驗均進行了500萬次，通過了船級社的認證。
      (4)，制造工藝
      對于大型風力機葉片大多采用開模工藝。分別在兩個陰模上成型氣動面與工作面半殼。葉片主梁及其他玻璃鋼部件分別在專用模具上成型，然后膠接組裝成整體葉片。葉片成型工藝由早期的手糊工藝發展到目前的比較先進的工藝。如LM公司采用VARTM工藝。在應用此項工藝過程中，解決了成型大型玻璃鋼構件的系列技術難題。采用該項工藝技術，提高玻璃鋼纖維含量，增加了強度。Vestas采用預浸料工藝。德國NOI公司采用濕法預浸料工藝。我國玻璃鋼葉片制造廠家由于受市場、技術、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。隨著我國風電事業的發展，市場需要質量更高的玻璃鋼葉片，采用先進的成型工藝是必由之路。目前國內廠家已開始這方面的研究工作。
      (5)，葉片技術規范
      國際上極大多數國家要求所安裝的風力機得到認證，以保證其質量。歐盟建議采用IEC標準統一認證規則和要求。在IEC系列標準中與葉片有關技術標準：IEC1400－1《風力機系統安全》。此標準規定了葉片荷載工況、局部安全系數、檢驗要求等；IEC1400－23《風輪葉片測量技術》，規定了葉片靜態強剛度測量、頻率測量及疲勞測試方法。我國風力機標準委員會組織制訂了一系列標準規范，其中關于大型風力機葉片的標準：《風力機組風輪葉片》。該標準基本上參照了IEC標準與勞埃德標準。標準對復合材料葉片的材料選擇、制造工藝、結構設計等方面均作出規定。中國船級社組織制訂了風力機認證規范。國家標準及認證規范的頒布實施，使國內生產廠家按與國際標準等效的技術要求進行整機及部件的設計、生產與質量控制，使我們的產品能在一個高的起點上參與國內與國際競爭。
5，在機艙罩與導流罩上應用
      風力機的重要部件如主軸、變速箱、電機等均安裝在機艙罩內，故機艙罩主要保護設備免受環境影響，并提供人員安裝維修條件。導流罩主要用以改善風輪氣動性能。雖然這二部件在機組中技術含量不高，但風力機制造商對其制造要求很高，應其外觀質量對制造商的品牌有影響。我們曾和Vestas合作為其生產660KW機組用機艙罩、導流罩。在對方專家的指導下，采用對方的技術進行模具及產品制造。目前我們已為國內風力機制造商批量生產玻璃鋼機艙罩導流罩。
6，結束語
       風能是當今世界上發展得最快的少數幾個行業之一。隨著人們對能源危機及環境問題的日益重視，可以預料今后相當長一段時期，風能將繼續保持高速增長，同時也成為玻璃鋼復合材料一個重要的應用領域。