图1 霍伦霍夫IWES研究所可以完成长达90m的桨叶质量认证的检测

新材料，例如纤维增强的复合材料或者利用纳米粒子增强的网状骨架，都能帮助减轻叶片重量、提高叶片使用寿命。原则上，也可以考虑叶片结构的变化。

风是我们取之不尽的自然能源。对这一资源的利用需要有先进的技术为基础。风力发电机组制造商和科研工作者研究出了保障风力发电机组可靠工作和运行的技术。

在有关陆上和海上这两种风力发电技术的讨论中，陆上风力发电的主要优点是投资少、集中式的电力管理方式便捷，电网扩建工作量小；但与此相联系的是发电能力小，常常也会受到当地居民的抗议。相反，海上风力发电有着很高的发电能力且几乎不会受到民众的抗议，但每一台风力发电机组所需的投资费用较高、电网扩建的工作量也更大。

2009年8月，第一台海上风力发电机组向德国电网并网发电，这是德国经济利用海上风力能源的一个无可争议的里程碑。早在2009年4月，距德国北部Borkum岛45km、水深30m的Alpha Ventus海上风力发电场的12台机组就已投入运行，发出的电力可以满足大约五万户家庭的电力需求。但这时的Alpha Ventus风力发电场还是一个以科研为主的试验项目。Rave科研计划伴随着这一风力发电场的建设和试运行，目的是从日常应用的角度对海上风能的利用进行优化。在这一科研项目中，有一系列的问题需要解决：风、气候和海浪对风力发电机组机舱、塔筒和叶片有什么影响、如何发挥影响？还有什么地方需要改进完善才能使海上风力发电机组长期、可靠地发电？风力发电机组的建造和运行对海上的生态环境有什么影响？共有150多名科研工作者参与了这一项目的研究，以便使海上风力发电能够成为未来德国电力供应的支柱。

图2 科隆市德国航空航天中心DLR的项目官员Sarina Keller女士说：“原则上，可以考虑桨叶的结构发生改动。例如为便于运输可将大型叶片分成几段”

德国风力发电行业

在德国，虽然海上风能的利用还是一项比较年轻的技术，但陆上风能利用已经有20多年的历史了。相应的，它们的装机容量也是有区别的, 根据德国风能研究所DEWI的调查：到2011年年底，并网发电的WEA风力发电功率总量达29075MW，其中2003MW是由海上风力发电机组提供的；2011年新安装的风力发电机组装机容量大约为2007.42MW，其中海上风力发电机组的装机容量为30.0MW。2011年并入电网的海上风力发电总功率为108.3MW，与2010年所达到的数字持平。

风力发电机组主要的部件是桨叶和包含发电机、驱动机构的机舱。机舱可以在塔筒上旋转，塔筒下的混凝土基础是支撑风力发电机组、保障安全运行的根基。此外，监控系统、调节系统、控制系统以及机舱中、塔筒下或者塔筒外的并网供电的电气设备，构成了一个完整的风力发电机组。

安装在轮毂上的叶片是真正发电的主要部件。叶片接收了空气中的风能，并将其传送给发电机。同时，叶片也是风力发电设备产生噪音的根源。因此，对叶片的优化不仅仅是提高叶片的工作效率，也包括降低叶片工作时的噪音。根据德国风能研究所的一份调查报告显示：目前，海上风力发电机组所使用的桨叶直径在60～90m之间；而且还有向120～130m更大直径发展的趋势（截止2011年12月31日）。

图3 霍伦霍夫IWES研究所能源技术和系统集成部门的领导人Bernhard Lange博士在FVEE可再生能源联合会2012年10月的柏林年会上清楚地介绍了海上风力发电机组工作运行的前提条件

碳纤维复合材料

当前海上风力发电机的桨叶直径大约在90～126m。但著名的风力发电机组供应商，例如Vestas公司和Alstrom公司已经开发出了桨叶直径170m的样机、并且已经在进行试运行了。2012年10月，西门子的首台SWT 6.0 154样机已经安装完毕。这一计划在海上风力发电中使用的机组具有6MW的发电能力，其桨叶直径为154m。

“由于使用的桨叶越来越长，对叶片动态结构所能承受的负载量要求也越来越高。因此，要准确意识到桨叶空气动力学和空气弹性力学的技术问题。”科隆德国航空航天中心DLR的项目官员Sarina Keller女士说道。作为风力发电机组的关键部件，如今的桨叶通常都是利用GFK玻璃纤维增强材料按照半硬壳式夹层结构设计制造的；也有使用聚氨酯泡沫和轻质木材或CFK碳纤维增强材料制造的。桨叶带有避雷装置，在受到雷击后可以把雷电经机舱、塔筒传导到地下。单支叶片的长度达46m左右，每一片的重量大约8～9t。Keller女士介绍道：“采用自动化生产工艺技术，明显比手工生产节约叶片的原材料，并且提高了质量和可靠性。新材料，例如纤维增强的复合材料或者利用纳米粒子增强的网状骨架，都能帮助减轻叶片重量、提高叶片使用寿命。原则上，也可以考虑叶片结构的变化。例如为便于运输可将大型叶片分成几段。”

在不来梅港口，霍伦霍夫IWES研究所从2011年6月开始在自己的实验室中对下一代应用了90m长的单支叶片的风力发电机组进行测试。IWES研究所在几个月的测试时间里就可以了解这种桨叶的使用寿命是否可以长达20年。

图4 丹麦Osterild市近海处安装使用的新型6MW风力发电机的桨叶旋转直径达154m，单支叶片的长度75m

使用地点决定最佳设计

无论是海上风力发电机组还是陆上风力发电机组，最终都是由具体地点决定设备的环境条件。只有了解了使用地点的环境条件，才能最准确地设计、制造出合适的风力发电机组。风力发电场的场址选择与风力状况有着密切的关系，因而想要做出正确的风力发电机组设计首先要了解、掌握当地的风力特性，并对环境条件准确、高清晰度地测量和建模，例如霍伦霍夫IWES研究所开发的模型和这种模型的使用，都是生产和制造桨叶的重要基础。

对于海上风力发电场来讲，所掌握的不同地点环境条件的经验还不多。因此，霍伦霍夫IWES研究所在海上风力发电场设计、建造和运行时利用新的方法对相关的环境条件进行了特性描述和评估。目前，在风力发电机组高度上对风速进行检测是相当麻烦的事情，因为它要架设检测桅杆或者检测平台。

德国航空航天中心的项目总监Bernhard Milow先生在柏林2012年10月中旬的可再生能源联合会年会上说：“风能将成为能源生产的有力支柱。”因此，他希望能够在风力发电技术的研究上获得更多的财政支持。如果从最佳的风能资源利用方法所收获的能源来考虑，那么无论是海上还是陆上风力发电都有着重要的地位。而且海上风力发电并不与陆上风力发电相互对立，相反两者是很好的相互补充。