風(fēng)能作為一種綠色環(huán)保型能源是可再生能源中最具開發(fā)潛力的能源之一，風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵動部件，其良好的設(shè)計、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，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)獲得較高風(fēng)能利用系數(shù)和較大經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)。
隨著現(xiàn)代風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展及日趨成熟，為了降低風(fēng)電單位成本，風(fēng)機(jī)功率不斷提高，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組研究正沿著增大單機(jī)容量、減輕單位千瓦質(zhì)量、提高轉(zhuǎn)換效率的方向發(fā)展。隨著風(fēng)機(jī)葉片的加長，玻璃纖維復(fù)合材料葉片已不能滿足性能要求，碳纖維復(fù)合材料葉片不僅在風(fēng)機(jī)強(qiáng)度和剛度等力學(xué)性能方面都滿足要求，而且輕量化、耐腐蝕的特征也成為海上風(fēng)能葉片的需求。國外已展開碳纖維風(fēng)電葉片的應(yīng)用，維斯塔斯（Vestas）生產(chǎn)的V-90型3.0MW風(fēng)機(jī)葉片與玻璃纖維相比減重32%。歌美颯（Gamesa）生產(chǎn)的長達(dá)44m的2.0MW風(fēng)機(jī)葉片采用碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，質(zhì)量僅7000kg。南通東泰生產(chǎn)的2MW碳纖維風(fēng)機(jī)葉片主梁，既保證葉片高強(qiáng)度，又順應(yīng)了大型化、輕量化方向。荷蘭戴爾佛理工大學(xué)研制的直徑120m風(fēng)機(jī)葉片，梁結(jié)構(gòu)采用碳纖維重量減輕40%。
1、碳纖維主要應(yīng)用部件
風(fēng)電葉片發(fā)展初期，由于葉片較小，有木葉片、布蒙皮葉片、鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片、鋁合金葉片等等，隨著葉片向大型化方向發(fā)展，復(fù)合材料逐漸取代其他材料幾乎成為大型葉片的唯一可選材料。復(fù)合材料具有其它單一材料無法比擬的優(yōu)勢之一就是其可設(shè)計性，通過調(diào)整單層的方向，可以獲得該方向上所需要的強(qiáng)度和剛度。更重要的是可利用材料的各向異性，使結(jié)構(gòu)不同變形形式之間發(fā)生耦合。比如由于彎扭耦合，使得結(jié)構(gòu)在只受到彎矩作用時發(fā)生扭轉(zhuǎn)。在過去，葉片橫截面耦合效應(yīng)是一個讓設(shè)計人員頭疼的難題，設(shè)計工程想方設(shè)法消除耦合現(xiàn)象。但在航空領(lǐng)域人們開始利用復(fù)合材料的彎扭耦合，拉剪耦合效應(yīng)，提高機(jī)翼的性能。受此啟發(fā)人們在風(fēng)電葉片上引人彎扭耦合設(shè)計概念，控制葉片的氣彈變形，這就是氣彈剪裁。通過氣彈剪裁，降低葉片的疲勞載荷，并優(yōu)化功率輸出。而在選擇葉片材料的問題上，由于碳纖維比玻璃纖維昂貴，采用百分之百的碳纖維制造葉片從成本上來說是不合算的。目前國外碳纖維主要是和玻璃纖維混和使用，碳纖維只是用在一些關(guān)鍵的部分。
主要有以下部位
（1）橫梁，尤其是橫梁蓋是目前碳纖維在風(fēng)電葉片中最重要的部位。相比玻璃纖維復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料在提高葉片強(qiáng)度的同時卻大幅減輕了自身重量。
（2）蒙皮表面，蒙皮表面整體使用碳纖維，可以降低作用在內(nèi)支撐梁上的受力和扭矩，通過設(shè)計可以實現(xiàn)“材料誘導(dǎo)式”的葉片受載彎扭耦合。據(jù)NEG麥康公司的專利報導(dǎo)，葉片在總長度的60％～85％部分用CFRP條帶加固葉片蒙皮橫截面外部圓周的一個薄層，該薄層可提高蒙皮抵抗拉力和壓力的能力
（3）前后邊緣，除了提高剛度和降低質(zhì)量外，還起到避免雷擊對葉片造成損傷的作用，如圖3中涂黑的部分采用碳纖維
（4）葉片根部，碳纖維應(yīng)用于葉片根部時，不僅可以提高根部材料的斷裂強(qiáng)度和承載強(qiáng)度，使施加在螺栓上的動態(tài)載荷減小，還可以增加葉根法蘭處的螺栓數(shù)量，從而增加葉片和輪轂連接處的靜態(tài)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度
（5）靠近葉尖部分。由于靠近葉尖的部分采用CFRP，其質(zhì)量較小，靠近葉根部分可以使用較少的材料，減小了在風(fēng)機(jī)輪轂上的負(fù)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桿塔的危險。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，可以減小氣動載荷。
(6) 定槳矩風(fēng)機(jī)葉尖剎車段的碳纖維軸。在風(fēng)力發(fā)電葉片的材料選用上，混雜纖維增強(qiáng)技術(shù)需要發(fā)揮各種纖維的性能優(yōu)勢，保證良好的浸潤性，保證碳纖維的伸直取向，在保證性能優(yōu)良的情況下降低成本。我國還需要進(jìn)一步探索這種混雜技術(shù)。目前碳纖維主要應(yīng)用在風(fēng)機(jī)的主梁結(jié)構(gòu)，未來3年風(fēng)機(jī)功率將從2MW向5MW過渡，而主梁會采用碳纖維/玻璃纖維混合的方式以實現(xiàn)性價比最大化。
2、碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢 （1）提高葉片剛度，減輕葉片重量碳纖維的密度比玻璃纖維小約30%，強(qiáng)度大40%，尤其是模量高3至8倍。大型葉片采用碳纖維增強(qiáng)可充分發(fā)揮其高彈輕質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。荷蘭戴爾弗理工大學(xué)研究表明，一個旋轉(zhuǎn)直徑為120米的風(fēng)機(jī)的葉片，由于梁的質(zhì)量超過葉片總質(zhì)量的一半，梁結(jié)構(gòu)采用碳纖維，和采用全玻纖的相比，重量可減輕40%左右;碳纖維復(fù)合材料葉片剛度是玻璃纖維復(fù)合材料葉片的兩倍。據(jù)分析，采用碳/�；祀s增強(qiáng)方案，葉片可減重20%～30%。
（2）使風(fēng)機(jī)的輸出功率更平滑更均衡，提高風(fēng)能利用效率 使用碳纖維后，葉片重量的降低和剛度的增加改善了葉片的空氣動力學(xué)性能，減少對塔和輪軸的負(fù)載，從而使風(fēng)機(jī)的輸出功率更平滑和更均衡，提高能量效率。同時，碳纖維葉片更薄，外形設(shè)計更有效，葉片更細(xì)長，也提高了能量的輸出效率。
（3）提高葉片抗疲勞性能 風(fēng)機(jī)總是處在條件惡劣的環(huán)境中，并且24小時的處于工作狀態(tài)。這就使材料易于受到損害。一般認(rèn)為CFRP相比GFRP韌性較小，更具有脆性，但是相關(guān)研究表明，當(dāng)碳纖維與樹脂材料混合時，通過一定的復(fù)合加工成型工藝，以及生產(chǎn)質(zhì)量的控制和葉片結(jié)構(gòu)和幾何形狀的優(yōu)化，就可以保證葉片的壽命要求，能夠滿足在惡劣氣候環(huán)境狀況下的正常工作。
（4）可制造低風(fēng)速葉片 碳纖維的應(yīng)用可以減少負(fù)載和增加葉片長度，從而制造適合于低風(fēng)速地區(qū)的大直徑風(fēng)葉，使風(fēng)能成本下降。
（5）可制造自適應(yīng)葉片 葉片裝在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)輪上，葉片的角度可調(diào)。目前主動型調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的設(shè)計風(fēng)速為13 to15m/s，當(dāng)風(fēng)速超過時，則調(diào)節(jié)風(fēng)葉斜度來分散超過的風(fēng)力，防止對風(fēng)機(jī)的損害。斜度控制系統(tǒng)對逐步改變的風(fēng)速是有效的，但對狂風(fēng)的反應(yīng)太慢了，自適應(yīng)的各向異性葉片可幫助斜度控用系統(tǒng)(thepitch control system)，在突然的、瞬間的和局部的風(fēng)速改變時保持電流的穩(wěn)定。自適應(yīng)葉片充分利用了纖維增強(qiáng)材料的特性，能產(chǎn)生非對稱性和各向異性的材料，采用彎曲/扭曲葉片設(shè)計，使葉片在強(qiáng)風(fēng)中旋轉(zhuǎn)時可減少瞬時負(fù)載。美國Sandia National Laboratories致力于自適應(yīng)葉片的研究，使1.5MW的風(fēng)機(jī)發(fā)電成本降到4.9美分/(kW·h)，價格可和燃料發(fā)電相比。
（6）利用導(dǎo)電性能避免雷擊 利用碳纖維的導(dǎo)電性能，通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可有效地避免雷擊對葉片造成的損傷。具有振動阻尼特性。碳纖維的振動阻尼特性可避免葉片自然頻率與塔暫短頻率間發(fā)生任何共振的可能性。
21世紀(jì)是高效、潔凈和安全利用新能源的時代，隨著風(fēng)電單機(jī)容量的增大，葉片尺寸趨于大型化，全球風(fēng)電行業(yè)迫切需要先進(jìn)復(fù)合材料及其制造技術(shù)，使得葉片生產(chǎn)材料必然向著強(qiáng)度更大、抗疲勞特性更好、質(zhì)量更輕的方向發(fā)展，所以碳纖維復(fù)合材料葉片具有極大優(yōu)勢和發(fā)展前景。研究結(jié)果和實際應(yīng)用情況均證實碳纖維應(yīng)用到風(fēng)機(jī)葉片中的可行性，于此同時我們應(yīng)該清楚認(rèn)識到在進(jìn)一步推廣應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料所遇到的問題，然后從原材料的制備、葉片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，成型工藝技術(shù)的提升、質(zhì)量控制等方面深入研究，不斷提高技術(shù)水平和創(chuàng)新能力，以求碳纖維增強(qiáng)材料在風(fēng)電領(lǐng)域得到更進(jìn)一步的應(yīng)用。
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