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(fēng)，這份大自然的美麗與特殊。我們領(lǐng)略過吹面不覺寒的和煦春風(fēng)，也見識過風(fēng)勁角弓鳴的威力，而風(fēng)能早已漸漸走進(jìn)我們的生活。

風(fēng)能利用的歷史

人類最早利用風(fēng)能要追溯到波斯人利用垂直軸風(fēng)機(jī)的碾磨；到了中世紀(jì)，北歐人利用水平軸風(fēng)機(jī)驅(qū)動帆船航行；19世紀(jì)的美國，人們開始利用風(fēng)力機(jī)提水灌溉。

風(fēng)力機(jī)用于提水

到1887年，美國人Charles F.Brush建造了第一臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，此后，經(jīng)過長達(dá)一個多世紀(jì)的艱辛探索，不斷的技術(shù)革新和應(yīng)用的考驗(yàn)，才發(fā)展成今天的主流的上風(fēng)向、水平軸、三葉片的塔式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，也使得風(fēng)力發(fā)電成為風(fēng)能利用主導(dǎo)方向。

主流風(fēng)力機(jī)

隨著傳統(tǒng)化石能源的不可持續(xù)以及對全球環(huán)境的持續(xù)危害，以風(fēng)力發(fā)電為主流的新能源已經(jīng)成為世界各國優(yōu)先和大力發(fā)展的替代能源。

風(fēng)電葉片是風(fēng)電機(jī)組中將自然界風(fēng)能轉(zhuǎn)換為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電能的核心部件，也是衡量風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)和技術(shù)水平的主要依據(jù)。

風(fēng)電葉片的發(fā)展歷程

由于機(jī)組功率容量很小，早期的風(fēng)力發(fā)電機(jī)大多采用木質(zhì)葉片，使用強(qiáng)度較好的整體木方做葉片縱梁來承擔(dān)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(qiáng)度不高，在潮濕環(huán)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(fēng)力發(fā)電機(jī)的要求，因此，木制葉片開始逐漸被其他材料所取代。

木質(zhì)葉片

近代，葉片開始采用鋼管或型鋼做縱梁、鋼板做肋梁，內(nèi)填泡沫塑料外覆玻璃增強(qiáng)蒙皮的結(jié)構(gòu)形式，鋼梁結(jié)構(gòu)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(zhì)葉片

隨著鋁合金材料在飛機(jī)機(jī)翼上的成功應(yīng)用，由于機(jī)翼結(jié)構(gòu)具有與風(fēng)電葉片相似的受力和外形特征，因此引發(fā)了科學(xué)家對鋁合金在風(fēng)電葉片應(yīng)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(xù)生產(chǎn)，又可按設(shè)計(jì)要求的扭曲進(jìn)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(shí)現(xiàn)。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(yǎng)和后期維護(hù)提出了挑戰(zhàn)，難以滿足風(fēng)機(jī)葉片長時間運(yùn)行的要求。

鋁合金葉片

上世紀(jì)50年代，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料原材料體系被逐步開發(fā)，其潛在性能優(yōu)勢不斷被發(fā)掘，隨著應(yīng)用技術(shù)的積累，長纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料以其優(yōu)異的力學(xué)性能、工藝性能和耐環(huán)境侵蝕性能，成為當(dāng)今大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片材料的首選。

聚合物基復(fù)合材料是由高分子聚合物（環(huán)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(qiáng)塑料。

玻璃纖維（左）和碳纖維（右）

現(xiàn)階段大型葉片一般采用真空吸注成型工藝，該工藝?yán)貌ＡЮw維和泡沫結(jié)構(gòu)層的真空吸入常壓下的液態(tài)環(huán)氧樹脂，然后加熱使樹脂固化，被樹脂浸潤的纖維結(jié)構(gòu)隨即成為一個整體結(jié)構(gòu)即復(fù)合材料葉片。與傳統(tǒng)金屬材料葉片制造工藝相比，真空吸注工藝生產(chǎn)效率更高、性能亦可根據(jù)設(shè)計(jì)纖維的方向自由調(diào)控，材料與結(jié)構(gòu)一體化成型、產(chǎn)品尺度限制小，特別適合制造大型高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件，故而成為現(xiàn)今風(fēng)電葉片的主導(dǎo)制造工藝。

復(fù)合材料真空吸注工藝

現(xiàn)代葉片經(jīng)歷了從實(shí)心葉片結(jié)構(gòu)向中空的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。目前，葉片大多為箱型或者工字型主承力結(jié)構(gòu)加上輕質(zhì)的氣動外形組成，其中承力結(jié)構(gòu)位于翼型的最大厚度附近，這部分結(jié)構(gòu)承受絕大部分外載荷。其他位置則為薄的殼體結(jié)構(gòu)或者泡沫夾芯結(jié)構(gòu)，這部分主要提供準(zhǔn)確、光順的氣動外形，從而在保證葉片結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時降低葉片質(zhì)量。由于風(fēng)沙、雨水侵蝕和冰雹的侵蝕，為了保持葉片氣動外形和保護(hù)葉片承力結(jié)構(gòu)20年以上的使用壽命，葉片表面通常還需要涂覆防護(hù)油漆或樹脂。

葉片截面結(jié)構(gòu)

葉片材料的應(yīng)用趨勢

為了捕獲更多風(fēng)能、降低度電成本，海上風(fēng)資源的開發(fā)受到越來越多國家的青睞，其具有風(fēng)速平穩(wěn)，湍流度小，距離用電負(fù)荷中心近等優(yōu)勢。

為了降低維護(hù)和基礎(chǔ)建設(shè)成本，海上風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量通常比陸上機(jī)組更大，所使用的葉片更長。2016年，丹麥LM公司生產(chǎn)了世界上最長的葉片，單只葉片長度達(dá)88.4米。

世界最長的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片LM 88.4 P（圖片來自相關(guān)報(bào)道）

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

大型海上風(fēng)電機(jī)組