碳纖維及其復合材料在風電機組全生命周期中的應用

張可可 施劉生 唐許 趙清新 郎鳴華 嚴兵

1 風電的發展

風能是一種清潔的能源，人類使用風能的歷史很早，例如發明帆船利用風能進行水上航行，以及比較有名的荷蘭人利用風能改造低洼地的例子，而風車因此也成了荷蘭的象征。最早的工業風力發電機由美國人查爾斯·布魯斯在1888年發明，該風機僅高17m，有144個葉片，發電能力僅為12kW。葉片多，發電強是人們自然而然的觀念。但丹麥物理學家保羅·拉·庫爾在1890年代證明，即使葉片少，但只要轉速快，風機效率就高，應用該原理，他制造了一個只有4個葉片，發電能力卻達25kW的風機，這成為現代風機的雛形。隨著氣動理論及相關技術發展，也促進和推動風電的發展。1941年美國人Putnam設計制造的Smith—Putnam風機，該風機葉輪的直徑53m，逆風偏航設計，功率 1.25MW，是世界上第一個MW級風力發電機[1]。

1970年代出現的能源危機進一步促進了風電產業的發展。風能作為清潔能源的一種，被廣泛接受，很多國家將其列為國家層面上的產業進行推廣和扶持。進入20世紀80年代，風電首先從北歐等地逐漸開始商業化，同時出現了各種各樣不同概念的風機，有垂直軸、水平軸，葉片有2～4個。但最終水平軸三葉片風機，以其可靠的穩定性、較高的發電效率，成為市場的主流，并涌現出維斯塔斯、西門子、通用等世界級的風電巨頭[2]。

我國針對風力發電課題的研究始于1950年代，1986年在山東榮成建成我國第一個并網發電的風力發電場，此后風電產業發展迅速。我國的風能資源豐富，其中2大風帶，如“三北地區”（西北、華北、東北）以及沿海地區，陸地可利用風能資源約3億MW，加上海上資源約10億MW。……