解落三秋葉，能開(kāi)二月紅；過(guò)江千尺浪，入竹萬(wàn)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(guò)吹面不覺(jué)寒的和煦春風(fēng)，也見(jiàn)識(shí)過(guò)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(dòng)帆船航行；19世紀(jì)的美國(guó)，人們開(kāi)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(guó)人Charles F.Brush建造了第一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，此后，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)一個(gè)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(duì)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(guó)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(lái)承擔(dān)葉片在工作時(shí)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(lái)越無(wú)法滿足大、中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的要求，因此，木制葉片開(kāi)始逐漸被其他材料所取代。

木質(zhì)葉片

近代，葉片開(kāi)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(dòng)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(duì)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(zhǎng)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(guò)焊接或螺栓連接來(lái)實(shí)現(xiàn)。與此同時(shí)，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(wèn)題，也對(duì)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(zhǎng)時(shí)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(kāi)發(fā)，其潛在性能優(yōu)勢(shì)不斷被發(fā)掘，隨著應(yīng)用技術(shù)的積累，長(zhǎng)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(shù)脂、不飽和樹(shù)脂等）通過(guò)一定的成型工藝滲入長(zhǎng)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(shù)脂，然后加熱使樹(shù)脂固化，被樹(shù)脂浸潤(rùn)的纖維結(jié)構(gòu)隨即成為一個(gè)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(dòng)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(dòng)外形，從而在保證葉片結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時(shí)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(dòng)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(shù)脂。

葉片截面結(jié)構(gòu)

葉片材料的應(yīng)用趨勢(shì)

為了捕獲更多風(fēng)能、降低度電成本，海上風(fēng)資源的開(kāi)發(fā)受到越來(lái)越多國(guó)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(shì)。

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(zhǎng)。2016年，丹麥LM公司生產(chǎn)了世界上最長(zhǎng)的葉片，單只葉片長(zhǎng)度達(dá)88.4米。

世界最長(zhǎng)的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片LM 88.4 P（圖片來(lái)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(jià)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(shì)，隨著葉片長(zhǎng)度的進(jìn)一步延伸，碳纖維復(fù)合材料將成為超長(zhǎng)葉片材料的不二選擇。

大型海上風(fēng)電機(jī)組