隨著各國政府對可再生能源的日益重視，風能發展的前景將越來越廣闊，海上風電在未來的發展空間也越來越大。海洋環境下的腐蝕、高壓、水底暗流流動帶來的強剪切作用對材料的耐腐蝕性、強度和耐疲勞性能提出了嚴格的要求，復合材料自身有著優良的耐疲性能和抗蝕性能，使其在海洋領域的開發拓展中占有優勢。復合材料技術的進步是推動風電機組大型化、低成本和輕量化的重要手段，如今復合材料在海上風電中發揮著不可替代的作用。

1.復合材料的介紹

1.1復合材料的定義

復合材料是由兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，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補短，產生協同效應，使復合材料的綜合性能優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，雖然強度很高，但是由于纖維間是松散的，所以它只能承受拉應力而不能承受彎曲、剪切和壓應力，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硬制品，既能承受拉應力，又可承受彎曲、剪切和壓應力。

復合材料主要是由基體與增強材料組成，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，有比較高的拉伸強度，能較好地與基體材料結合。

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

復合材料按其組成分為金屬與金屬復合材料、非金屬與金屬復合材料、非金屬與非金屬復合材料。按其結構特點又分為：①纖維增強復合材料。將各種纖維增強體置于基體材料內復合而成。如纖維增強塑料、纖維增強金屬等。②夾層復合材料。由性質不同的表面材料和芯材組合而成。通常面材強度高、薄；芯材質輕、強度低，但具有一定剛度和厚度。分為實心夾層和蜂窩夾層兩種。③細粒復合材料。將硬質細粒均勻分布于基體中，如彌散強化合金、金屬陶瓷等。④混雜復合材料。由兩種或兩種以上增強相材料混雜于一種基體相材料中構成。與普通單增強相復合材料比，其沖擊強度、疲勞強度和斷裂韌性顯著提高，并具有特殊的熱膨脹性能。分為層內混雜、層間混雜、夾芯混雜、層內/層間混雜和超混雜復合材料。

1.2復合材料的優點

（1）比強度高、比模量大

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

（2）抗疲勞性能好

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

（3）減振性能好

復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能轉化為熱能，纖維增強材料的阻尼比鋼和鋁合金大，故其振動阻力甚高，可避免共振而致的破壞。

（4）高溫性能好

一般而言，復合材料由基體和增強材料組成，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

纖維復合材料基體中有大量獨立纖維，每平方厘米上的纖維少則幾千根，多則上萬根。在纖維增強復合材料中，當構件超載并有少量纖維斷裂時，載荷會迅速重新分配在未破壞的纖維上，同時，已發生斷裂的纖維同時也可以在一小段部分發揮作用。因而，在短期內不至于使整個構件喪失承載能力。

（6）成型工藝性能好

針對連續增強型復合材料，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，從原理和設備上講，制造工藝簡單，沒有大量的切割，原料損耗少，所用功率也不大，可制成形狀復雜的部件，尤其適宜于制作相當大的整體結構部件

（7）優越的可設計性

可設計性能好是復合材料最優越的地方，這些可設計性主要表現在選擇纖維的種類、鋪層的方向、層數、層次和性能與體積的百分比等等。纖維增強型復合材料在微觀上是一種“結構”模型，這種“結構”由數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參數和幾何參數的方法，來設計出各種具有不同性能的復合材料。

（8）熱穩定性好

纖維增強復合材料對熱的敏感度比較小，其機構部件就算在大幅度溫度變化的環境中，仍然能保證較好的穩定性，其變形非常微小。同時，復合材料可以通過改變鋪層相關參數，設計出線性膨脹系數接近為零的部件，較好的保證了復合材料部件的熱穩定性能。

（9）耐化學腐蝕性好和電性能好

一般來說，基體樹脂決定了復合材料的耐化學腐蝕性。在眾多基體復合材料中，陶瓷基復合材料和聚合物基復合材料具有優越的抗腐蝕性。同時，復合材料絕緣性可達到甚高水平，但也可做成防靜電或導體的。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。這些性能遠非金屬材料所能比擬。

2.復合材料在風電機組中的應用現狀

近幾十年來，復合材料飛速發展，極大地推動了科學技術的發展。從最初的宏觀復合材料，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合材料，如聚合物基、金屬基和無機非金屬材料基復合材料，各種新型復合材料如雨后春筍般出現，廣泛應用于航天航空、汽車、建筑等領域。

而隨著風電產業的迅速發展，風電裝備作為風電產業的核心，受到越來越廣泛的重視，其質量和性能直接影響到風力機對風能的利用效率。由于對剛度的要求比較大，常規的風力機材料都采用鋼材，但這使得風力機質量過于龐大，不便運輸、吊裝和維修。此外，風力發電機組的工作環境經常會遇到比較惡劣的氣候條件，如低溫、高溫、臺風、沙塵、鹽霧、附冰等，極其容易受到環境的腐蝕和破壞，從而達不到預定的設計壽命。現在，隨著復合材料技術的突飛猛進，新型復合材料在風力機零部件上的應用開始得到廣泛的關注，尤其是在葉片、機艙罩導流罩、基礎混凝土以及栓接連接件上的應用。各大世界著名的復合材料設備商競相參與風能領域，為葉片、機艙罩和導流罩的制造商提供支持。復合材料風能產品生產制造已經成為復合材料行業非常重要的產業之一。

2.1葉片

葉片是風力發電機中的關鍵部件之一，是風電機組有效捕獲風能的核心部件，占整個風力發電裝置成本的20%左右。風機在工作過程中，葉片要承受強大的風載荷、砂石粒子沖擊、紫外線照射等作用，因此必須對葉片體系進行精心設計和改進，使其能滿足在惡劣環境下的正常運轉要求。制造葉片的材料和工藝對其成本存在決定性作用，材料的選擇和制備工藝優化對風力發電機的成本控制非常重要。葉片的捕風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，葉片就可以做得越大，捕風能力也就越強。因此，輕質量、高強度、高耐性的復合材料在大型風力發電機葉片的制造中得到了非常廣泛的應用。

復合材料葉片的主要優點如下：（1）質量輕，強度高，剛度好，具有可設計性，可根據葉片受力特點設計強度與剛度，從而減輕葉片的質量；（2）沖擊缺口敏感性低，內阻尼大，抗振性好，抗疲勞強度高；（3）耐候性好，可滿足在酸、堿、水汽等各種氣候環境下的使用要求；（4）維護方便，除了每隔若干年對葉片表面進行涂漆外，一般不需要大的維修。

目前世界上大多數的葉片都是采用玻璃鋼復合材料制造。從前，我國只掌握了750kW以下的風機葉片的產業化生產能力，近幾年，通過引進國外先進技術，國內己有多家具備1.5MW風機葉片產業化生產能力的企業。

復合材料可滿足葉片變截面、曲率大和結構鋪層漸變等特征要求，纖維增強復合材料已成為大葉片的唯一可選材料，這也使風電葉片成為世界上最大的復合材料單體部件。一般來說，材料選擇在葉片結構設計定型時完成，但最新的葉片設計理念就是將材料前置，與氣動、結構形成多目標一體化迭代，不斷尋優葉片和主機匹配的最佳發電量、載荷與成本，目前陸上8.0MW以下葉片設計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用碳纖維主梁進行設計。

風電葉片的典型結構如圖1所示，其應用的原材料主要由增強纖維、樹脂、芯材和結構膠等組成，葉片的主要成本構成如圖2所示。

圖1 典型風電葉片截面結構型式

圖2 葉片成本占比情況

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

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

2.1.1 玻璃纖維

玻璃纖維是公認的優質風電葉片原材料，根據中國玻璃纖維協會的統計數據，風電用玻璃纖維占玻璃纖維總產能的20%~25%左右。葉片越長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，否則很容易發生掃塔事故。玻璃纖維的拉伸模量是影響葉片變形的關鍵因素之一，因此其模量的增加對葉片剛度的提升意義重大。近10年玻璃纖維企業持續不斷的進行技術創新，每一代玻璃纖維的模量都提升了10%左右，有力地促進了葉片大型化的發展。玻璃纖維在葉片的蒙皮、腹板和主梁上都有廣泛的應用，不同部件采用的纖維布類型因承載需要而各有差異。雖然玻璃纖維經過近幾十年的發展進步斐然，但對于適應更大更輕葉片需求，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來推動風電葉片的發展。

2.1.2碳纖維

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

圖3 玻璃纖維

圖4 碳纖維

碳纖維復合材料在海洋風力發電中具有顯著的優勢：

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

（2）使風機的輸出功率更平滑更平衡，提高風能利用效率。使用碳纖維后，葉片質量的降低和剛度的增加改善了葉片的空氣動力學性能，減少了對塔架和輪載的負載，從而使風機的輸出功率更平滑更均衡，提高了風能利用效率。同時，碳纖維的輕質高強特性可使葉片能夠設計成更薄更有效的結構形式，葉片更長，提高了能量的輸出效率。此外，在大型柔性風電葉片結構中如主梁帽和蒙皮中采用碳纖維復合材料，可以實現葉片的彎扭耦合設計，在降低葉片的疲勞載荷的同時優化效率輸出。

（3）提高葉片對惡劣環境的適應性。風機長期在惡劣的自然條件下工作，濕度、疲勞、暴風雨和雷擊等因素都可能使風電葉片易于受損。碳纖維材料不僅具有高的抗壓縮強度和優良的耐疲勞特性，而且對酸堿鹽具有良好的耐腐蝕性，碳纖維的使用使葉片對惡劣環境的適應性提高。

（4）降低風電葉片的制造和運輸成本。當葉片超過一定尺寸時，碳纖維復合材料葉片反而比玻璃纖維復合材料葉片便宜，因為材料用量、勞動力、運輸和安裝成本等都下降了。

（5）利用碳纖維的導電性能，通過特殊的結構設計，可有效地避免雷擊對葉片造成的損傷。

（6）降低風力機葉片的制造和運輸成本，具有振動阻尼特性等。

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組大型化和輕量化的要求，碳纖維已經成為實現超大型葉片輕質高強要求的理想選擇材料。對于海上大葉片來說，通常會在其承載的關鍵部位主梁上應用碳纖維以提高葉片剛度和強度，以減少傳遞到主機和塔底的載荷，進而優化整機系統造價來降低度電成本。應用碳纖維主梁設計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，但其帶來的傳動鏈上相關部件及塔筒的優化減重，使風電機組的整體成本降低10%以上。由于碳纖維價格比較高，考慮到葉片的制造成本，碳纖維只應用到葉片的一些關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構存在。

（1）主梁帽：碳纖維復合材料在風電葉片中最重要的應用部位就是主梁帽，碳纖維主梁帽大幅減輕了葉片的重量，是目前風力發電機中最為常用的一種。2004年GEC設計了一個用于3MW機組的風力葉片，長度約為50m，葉片主梁帽中50%由碳纖維復合材料制成，另外50%由玻璃纖維復合材料制成，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%，葉根處的重力誘導彎矩減少了26%。

（2）蒙皮表面：碳纖維復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，采用良好的結構設計可以實現“材料誘導式”的葉片受載彎扭耦合。據NEG麥康公司的專利報導，葉片在總長度的60%到85%部分用碳纖維復合材料條帶加固葉片蒙皮橫截面外部圓周的一個薄層，可明顯提高蒙皮抵抗拉力和壓力的能力。

（3）葉片根部：碳纖維復合材料使用在葉片根部時，可以增加根部材料的承載強度和斷裂強度，促使施加在螺栓上的動態載荷減少，同時增加根部法蘭處的螺栓數量，從而增加葉片和輪轂連接處的靜態強度和疲勞強度。

（4）葉片前后緣防雷系統：碳纖維復合材料使用于風機葉片的前后緣，不僅可以提高葉片剛度、降低葉片質量，利用特殊設計還可以具備避雷效果，降低自然雷電對葉片的損傷。

（5）靠近葉尖部分：據LM公司的專利報道，在靠近葉尖部分占整個葉片長度25%到50%的位置采用碳纖維復合材料，而在靠近葉根的部分有玻璃纖維復合材料制成，中間過渡區中碳纖維復合材料逐漸由玻璃纖維復合材料代替。由于靠近葉尖的部分采用玻璃纖維復合材料，其質量較小，靠近葉根部分可以使用較少的材料，減少了在風機輪毅上的負載。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。相對較硬的葉尖部分和相對較低剛度的葉根部分形成了一個有利的偏斜形狀，氣動阻尼增加，可以減少氣動載荷。同時，中間過渡區的存在避免了碳纖維復合材料和玻璃纖維復合材料之間剛度的突然變化導致的應力集中。

未來風電的發展對碳纖維的用量將不斷增加，海上風電機組的額定功率將超過20MW、轉子直徑約200m，碳纖維能夠為海上風力發電提供更輕質、更抗拉力、更耐腐蝕的葉片和塔架材料。

2.2導流罩

風力發電機導流罩是指風機輪轂的外保護罩，由于在風機迎風狀態下，氣流會依照導流罩的流線型均勻分流，故稱導流罩。也稱為輪轂罩、輪轂帽等。輪轂罩的結構一般分為整體型導流罩、分體型導流罩兩大類。常見的分體型導流罩是由3個1/3罩體部件和一個罩頭部件用機械連接的方法拼合而成。分體型導流罩的優點是:模具簡單，操作相對容易，拼裝靈活。整體型導流罩必須在組合模具中一次整體成型出來，對模具的要求較高，對工藝的操作要求也較高，所以并不常見。

導流罩是保護輪轂和內部傳動系統和變槳系統的殼體結構，其流線型的結構對風有著良好的導向作用，可以在一定程度上減少紊流風的形成，使葉片能夠更加高效地利風能。因為導流罩的主要作用是保護而非傳遞載荷，而且安裝在輪轂前端，在降低它的自身重量的同時，保證足夠的抗壓抗變形能力，通常需要用輕型復合材料制作。絕大部分風機的導流罩是玻璃鋼材料制作，多采用真空導入模塑(VARTM)、Light RTM、手糊成型的方法成型制造。也有非玻璃鋼材質的風力發電機導流罩，如碳纖維復合材料導流罩、鋁合金導流罩等，歐洲的風機制造商選用的較多，其他國家和地區的風力發電機并不常見。

圖5 碳纖維復合材料風力發電機導流罩模型

2.3機艙罩

機艙罩是一種大型殼體結構，其配套零件多，且造型復雜。以MW級風電機組機艙罩為例，其外形尺寸為長7-10m，寬3-4m，高4m。這樣的尺寸進行整體.成型制造比較困難，故需要將機艙罩劃分成多塊殼體結構單獨成型，再進行組裝。在組裝時，先將關鍵零部件安裝在主機架上，再將機艙罩主殼體掛在主機架上，最后將剩余殼體與主殼體通過螺栓聯接整合。

圖6 風電機組機艙罩

機艙罩的主要作用是保護發電機、傳動系統、控制系統等關鍵零部件。同時，考慮到機艙罩工作環境惡劣，機艙罩需要有耐候性、抗溫差性、抗疲勞性、抗老化性、抗腐蝕性、抗紫外線輻射等。又考慮到機艙罩的主要作用是保護內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載等部.分外部載荷，需要對其質量進行嚴格控制，不僅要求機艙罩重量輕、強度高、承載能力大，還要求其經濟安全、安裝便捷。綜合.上述考慮，由于比重小，比強度和比模量大，防銹防腐蝕等優點，復合材料就成了風機機艙罩的最佳選材。

風電機組機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，這樣就大大節省了不同零部件之間連接時使用的鉚釘、螺桂等緊固件的數量，使機艙罩結構的質量減少20%左右。機艙罩主體采用玻璃鋼夾層結構，夾芯以泡沫為主，如果某些區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。機艙罩連接法蘭和開口處強度要求比較高，采用全玻璃鋼結構。機艙罩內部的縱、橫加強筋是為了增加罩體的強度和剛度。

2.4基礎混凝土

海上風電基礎關鍵材料混凝土的綜合性能尤其是防腐性能決定著機組的壽命及維護成本。海洋環境中大量的有害離子、漲潮退潮及海浪沖洗導致混凝土處于強烈的腐蝕環境。大溫差導致混凝土處于凍融循環而易出現剝落現象，降低風機基礎的承載能力及使用壽命。因此，提高海上風電基礎混凝土的綜合性能以提高結構耐久性是海上風電面臨的重大問題。

2.5栓接連接件

海上風電惡劣的腐蝕環境及復雜的載荷環境對風機基礎錨桿組件、風電葉片螺栓組件、混塔連接件等栓接連接件提出了更高的性能要求，常規金屬栓接連接件因有限的防腐性能而應用受到限制。具有質輕高強、耐腐蝕、抗疲勞、電氣絕緣等顯著優勢的高性能纖維復合材料栓接連接件在海上風電扮演著越來越重要的角色。現有高性能復合材料栓接連接件多為小規格（一般M20以下），通常利用高性能纖維增強熱塑性樹脂基復合材料及連續纖維增強陶瓷基復合材料等材料體系經過熱拉擠成型、對模成型、機械加工、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。復合材料栓接連接件的某些力學性能（如抗拉強度等）達到了常規金屬栓接連接件的性能要求，并有望突破尺寸及性能瓶頸。

結語

復合材料因具有質輕高強、抗疲勞、耐腐蝕、可設計性強和易加工成型等優點在海上風電中具有廣闊應用空間及應用前景，復合材料已成功應用于海上風電葉片、風機導流罩、機艙罩、基礎混凝土、栓接連接件等方面。復合材料的使用將使風力發電機組向輕質、大型化發展，整體發電效率提高，且隨著風電技術的不斷發展、風機容量不斷增大及新材料廣泛應用，風機設計生產迎來了更大的空間，海上風電復合材料市場前景廣闊。復合材料在風電領域的規模化推廣應用以及逐步成熟的風力發電市場將促使風力發電機組相關制造廠商良性競爭，不斷進行技術革新，促進復合材料的成型技術向低成本化方向發展。