傳統(tǒng)能源資源的大量使用帶來了許多的環(huán)境問題和社會問題，并且其存儲量大大降低，因而風(fēng)能作為一種清潔的可循環(huán)再生的能源，越來越受到世界各國的廣泛關(guān)注。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片是接受風(fēng)能的最主要部件，其良好的設(shè)計、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證發(fā)電機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行的決定因素，其成本約為整個機(jī)組成本的15%-20%。根據(jù)“風(fēng)機(jī)功價比法則”，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率與葉片長度的平方成正比，增加長度可以提高單機(jī)容量，但同時會造成發(fā)電機(jī)的體積和質(zhì)量的增加，使其造價大幅度增加。并且，隨著葉片的增大，剛度也成為主要問題。為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)力的大功率發(fā)電，既要減輕葉片的重量，又要滿足強(qiáng)度與剛度要求，這就對葉片材料提出了很高的要求。
　　1 碳纖維在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中的應(yīng)用
　　葉片材料的發(fā)展經(jīng)歷了木制、鋁合金的應(yīng)用，進(jìn)入了纖維復(fù)合材料時代。纖維材料比重輕，疲勞強(qiáng)度和機(jī)械性能好，能夠承載惡劣環(huán)境條件和隨機(jī)負(fù)荷，目前最普遍采用的是玻璃纖維增強(qiáng)聚酯（環(huán)氧）樹脂。但隨著大功率發(fā)電機(jī)組的發(fā)展，葉片長度不斷增加，為了防止葉尖在極端風(fēng)載下碰到塔架，就要求葉片具有更高的剛度。國外專家認(rèn)為，玻璃纖維復(fù)合材料的性能已經(jīng)趨于極限，不能滿足大型葉片的要求，因此有效的辦法是采用性能更佳的碳纖維復(fù)合材料。
　　1）提高葉片剛度，減輕葉片質(zhì)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3～8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120m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，和采用全玻璃纖維的相比，質(zhì)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2倍。據(jù)分析，采用碳纖維／玻璃纖維混雜增強(qiáng)方案，葉片可減輕20％～30％。Vesta Wind System 公司的V90型3.0 MW發(fā)電機(jī)的葉片長44m，采用碳纖維代替玻璃纖維的構(gòu)件，葉片質(zhì)量與該公司V80 型2.0MW發(fā)電機(jī)且為39m長的葉片質(zhì)量相同。同樣是34 m長的葉片，采用玻璃纖維增強(qiáng)聚脂樹脂時質(zhì)量為5800kg，采用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂時質(zhì)量為5200kg，而采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂時質(zhì)量只有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纖維所制得的風(fēng)機(jī)葉片質(zhì)量比采用玻璃纖維的輕約32%，而且成本下降約16%。
　　2）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24h處于工作狀態(tài)。這就使材料易于受到損害。相關(guān)研究表明，碳纖維合成材料具有良好的抗疲勞特性，當(dāng)與樹脂材料混合時，則成為了風(fēng)力機(jī)適應(yīng)惡劣氣候條件的最佳材料之一。
　　3）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，葉片質(zhì)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。
　　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)的輪軸上， 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13～15m/s(29～33英里/h)，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制系統(tǒng)，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)葉片研究，使1.5MW風(fēng)機(jī)的發(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。
　　7）降低風(fēng)力機(jī)葉片的制造和運(yùn)輸成本
由于減少了材料的應(yīng)用，所以纖維和樹脂的應(yīng)用都減少了，葉片變得輕巧，制造和運(yùn)輸成本都會下降，可縮小工廠的規(guī)模和運(yùn)輸設(shè)備。
　　8）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架短頻率間發(fā)生任何共振的可能性。
　　2 葉片制造工藝及流程
　　2.1 三維編織體/VARTM 技術(shù)
　　2.1.1 材料選擇
　　目前的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片基本上是由聚酯樹脂、乙烯基樹脂和環(huán)氧樹脂等熱固性基體樹脂與玻璃纖維、碳纖維等增強(qiáng)材料，通過手工鋪放、樹脂注入成型工藝復(fù)合而成。對同一種基體樹脂，采用玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料制造的葉片的強(qiáng)度和剛度的性能要差于采用碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料制造的葉片的性能。隨著葉片長度不斷增加，葉片對增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和剛性等性能也提出了新的要求，從而對玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度和模量也提出了更高的要求。為了保證葉片能夠安全的承擔(dān)風(fēng)溫度等外界載荷，大型風(fēng)機(jī)葉片可以采用玻璃纖維／碳纖維混雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，尤其是在翼緣等對材料強(qiáng)度和剛度要求較高的部位，則使用碳纖維作為增強(qiáng)材料。這樣，不僅可以提高葉片的承載能力，由于碳纖維具有導(dǎo)電性，也可以有效地避免雷擊對葉片造成的損傷。華東理工大學(xué)華昌聚合物有限公司與上海玻璃鋼研究院有限公司合作，成功研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)、適用于大型風(fēng)機(jī)葉片的復(fù)合材料——高性能環(huán)氧乙烯基酯樹脂。高性能環(huán)氧乙烯基酯樹脂黏結(jié)性能良好，力學(xué)性能優(yōu)異，收縮率低，成本較低。