解落三秋葉，能開二月紅；過江千尺浪，入竹萬竿斜。你猜，這是在描述什么呢？

是的，這就是風，這份大自然的美麗與特殊。我們領略過吹面不覺寒的和煦春風，也見識過風勁角弓鳴的威力，而風能早已漸漸走進我們的生活。

風能利用的歷史

人類最早利用風能要追溯到波斯人利用垂直軸風機的碾磨；到了中世紀，北歐人利用水平軸風機驅動帆船航行；19世紀的美國，人們開始利用風力機提水灌溉。

風力機用于提水

到1887年，美國人Charles F.Brush建造了第一臺風力發電機組，此后，經過長達一個多世紀的艱辛探索，不斷的技術革新和應用的考驗，才發展成今天的主流的上風向、水平軸、三葉片的塔式風力發電機，也使得風力發電成為風能利用主導方向。

主流風力機

隨著傳統化石能源的不可持續以及對全球環境的持續危害，以風力發電為主流的新能源已經成為世界各國優先和大力發展的替代能源。

風電葉片是風電機組中將自然界風能轉換為風力發電機組電能的核心部件，也是衡量風電機組設計和技術水平的主要依據。

風電葉片的發展歷程

由于機組功率容量很小，早期的風力發電機大多采用木質葉片，使用強度較好的整體木方做葉片縱梁來承擔葉片在工作時所必須承受的力和彎矩，但木制葉片不易扭曲成型，且強度不高，在潮濕環境下也容易腐蝕；加之隨著葉片尺寸的增加，木制葉片越來越無法滿足大、中型風力發電機的要求，因此，木制葉片開始逐漸被其他材料所取代。

木質葉片

近代，葉片開始采用鋼管或型鋼做縱梁、鋼板做肋梁，內填泡沫塑料外覆玻璃增強蒙皮的結構形式，鋼梁結構承受絕大部分載荷，玻璃鋼蒙皮形成氣動外形，葉片縱梁的鋼管及型鋼從葉根至葉尖的截面逐漸變小，以滿足扭曲葉片的要求并減輕葉片重量。

鋼質葉片

隨著鋁合金材料在飛機機翼上的成功應用，由于機翼結構具有與風電葉片相似的受力和外形特征，因此引發了科學家對鋁合金在風電葉片應用的濃厚興趣。

用鋁合金擠壓成型的等弦長葉片易于制造，可連續生產，又可按設計要求的扭曲進行扭曲加工，葉根與輪轂連接的軸及法蘭可通過焊接或螺栓連接來實現。與此同時，鋁合金葉片也存在諸多弊端，雖然鋁合金葉片重量輕、易于加工，但難以加工成從葉根至葉尖漸縮的葉片，此外，鋁合金材料在空氣中的氧化和老化問題，也對葉片的保養和后期維護提出了挑戰，難以滿足風機葉片長時間運行的要求。

鋁合金葉片

上世紀50年代，纖維增強復合材料原材料體系被逐步開發，其潛在性能優勢不斷被發掘，隨著應用技術的積累，長纖維增強聚合物基復合材料以其優異的力學性能、工藝性能和耐環境侵蝕性能，成為當今大型風力發電機葉片材料的首選。

聚合物基復合材料是由高分子聚合物（環氧樹脂、不飽和樹脂等）通過一定的成型工藝滲入長度不同的玻璃纖維或碳纖維而做成的增強塑料。

玻璃纖維（左）和碳纖維（右）

現階段大型葉片一般采用真空吸注成型工藝，該工藝利用玻璃纖維和泡沫結構層的真空吸入常壓下的液態環氧樹脂，然后加熱使樹脂固化，被樹脂浸潤的纖維結構隨即成為一個整體結構即復合材料葉片。與傳統金屬材料葉片制造工藝相比，真空吸注工藝生產效率更高、性能亦可根據設計纖維的方向自由調控，材料與結構一體化成型、產品尺度限制小，特別適合制造大型高強度結構件，故而成為現今風電葉片的主導制造工藝。

復合材料真空吸注工藝

現代葉片經歷了從實心葉片結構向中空的結構轉變。目前，葉片大多為箱型或者工字型主承力結構加上輕質的氣動外形組成，其中承力結構位于翼型的最大厚度附近，這部分結構承受絕大部分外載荷。其他位置則為薄的殼體結構或者泡沫夾芯結構，這部分主要提供準確、光順的氣動外形，從而在保證葉片結構穩定性的同時降低葉片質量。由于風沙、雨水侵蝕和冰雹的侵蝕，為了保持葉片氣動外形和保護葉片承力結構20年以上的使用壽命，葉片表面通常還需要涂覆防護油漆或樹脂。

葉片截面結構

葉片材料的應用趨勢

為了捕獲更多風能、降低度電成本，海上風資源的開發受到越來越多國家的青睞，其具有風速平穩，湍流度小，距離用電負荷中心近等優勢。

為了降低維護和基礎建設成本，海上風電機組單機容量通常比陸上機組更大，所使用的葉片更長。2016年，丹麥LM公司生產了世界上最長的葉片，單只葉片長度達88.4米。

世界最長的風力渦輪機葉片LM 88.4 P（圖片來自相關報道）

由于海上風電葉片的嚴苛要求，現在大規模使用的玻璃纖維增強復合材料已難以獨立勝任。相較之下，碳纖維復合材料葉片的剛度為玻璃纖維復合葉片的兩至三倍，極限和疲勞性能都優于玻璃纖維復合材料，是名副其實的高性能材料。盡管碳纖維復合材料的性能大大優于玻璃纖維復合材料，但因價格昂貴，影響了它在風電葉片上大范圍應用。然而，碳纖維復合材料的應用已成為趨勢，隨著葉片長度的進一步延伸，碳纖維復合材料將成為超長葉片材料的不二選擇。

大型海上風電機組