1887年，美國人Charles F.Brush建造了第一臺風力發(fā)電機組。

 

葉片材料：雪松木，葉片長度：8.5米。‍

 

2018年，中國吉林重通成飛開發(fā)的國內(nèi)最長海上風電葉片在江蘇如東基地成功下線。‍

 

 

葉片材料：碳纖維增強復合材料，葉片長度：83.6米。

 

葉片材料的演變經(jīng)歷三個時期：木質(zhì)材料→金屬材料→復合材料。

 

        在葉片的成本中，葉片選材占大頭，對葉片綜合性能的影響也是最顯著。最開始的葉片材料為木質(zhì)葉片，布蒙皮葉片，然后是金屬葉片，最后到現(xiàn)在比較主流的復合材料葉片。

 

首先，風電葉片要足夠輕。在相同的風速下，更輕的葉片更容易旋轉(zhuǎn)，那么其風力轉(zhuǎn)換效率就會大大提高。另外，還需要高強度和高韌性，以滿足幾十年的服役壽命要求。最后，成本要低，因此，葉片材料的發(fā)展是一個逐步輕量化，高性能化，低成本化的漫長的篩選和開發(fā)過程。

 

木質(zhì)葉片

 

        早期的風力發(fā)電機組功率容量很小，因此大多采用木質(zhì)葉片，但木制葉片不易扭曲成型，且強度不高，在潮濕環(huán)境下也容易腐蝕;而且隨著大、中型風力發(fā)電機的發(fā)展，木質(zhì)葉片越來越無法滿足葉片尺寸的增加要求，因此，木質(zhì)葉片逐步退出了歷史舞臺。

 

 

金屬葉片

 

       金屬葉片克服了木質(zhì)葉片不易扭曲加工成型的缺點，而且金屬材料的價格低廉，在木質(zhì)葉片之后的很長一段時間被認為是風電葉片最理想的材料。

 

 

鋁合金葉片

 

       這里面用到的金屬材料主要是鋁合金。但是，也存在諸多弊端，雖然鋁合金葉片重量輕、易于加工，但對于葉跟到葉尖漸縮的葉片，鋁合金的加工特別困難，此外，金屬材料在空氣中的腐蝕問題，也對葉片的保養(yǎng)和后期維護提出了挑戰(zhàn)。

纖維增強復合材料葉片

 

       1950年，纖維增強復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，隨著應用技術的積累，長纖維增強聚合物基復合材料以其優(yōu)異的力學性能、工藝性能和耐環(huán)境侵蝕性能，成為當今大型風力發(fā)電機葉片材料的首選。

 

       這里的纖維主要有玻璃纖維和碳纖維兩種，由高分子聚合物(環(huán)氧樹脂，不飽和樹脂等)通過特定的成型工藝加工而成。

 

玻璃纖維(左)和碳纖維(右)

 

 

重通成飛國內(nèi)最長葉片的碳纖維主梁生產(chǎn)線(實現(xiàn)減重30%)

 

纖維增強復合材料是大型葉片的不二選擇。加工工藝一般采用真空吸注成型工藝，如下圖所示。

 

 

 

       該工藝利用纖維和泡沫結構層的真空，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構隨即成為一個整體結構，這是真空吸注成型的原理。不同的葉片型號，會對應一個特定的整體結構，即復合材料葉片。

 

        與傳統(tǒng)金屬材料葉片相比，纖維增強復合材料葉片的優(yōu)勢更為明顯：與真空吸注工藝結合使得生產(chǎn)效率大大提高;通過調(diào)控纖維方向可設計不同性能的葉片;一體化成型，產(chǎn)品尺度限制小;高強高韌，特別適合制造大型風電葉片。因為，基于以上優(yōu)勢，纖維增強復合材料葉片成為現(xiàn)今風電葉片的主導。

 

 

 

       國內(nèi)目前風電葉片材料是這么個情況：我國較小型葉片(如22 m長)一般選用量大、價廉的玻璃纖維增強塑料，基體樹脂以不飽和聚酯樹脂為主;而較大型葉片(長度42 m以上)的結構設計則選用碳纖維復合材料或碳纖維與玻璃纖維的混雜復合材料，采用真空導入生產(chǎn)工藝，而基體樹脂則以環(huán)氧樹脂為主。未來的發(fā)展方向是低成本、高性能、環(huán)保。

 

        但是，海上風電正在對葉片材料提出更高的要求。由于海上風電葉片的嚴苛要求，陸上大規(guī)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(yōu)于玻璃纖維復合材料，是名副其實的高性能材料。

 

       但是有一點，碳纖維復合材料的價格要遠高于玻璃纖維，這是致命傷，昂貴的價格大大限制了它在風電葉片上的大范圍應用。然而，碳纖維復合材料的應用已成為趨勢，隨著葉片越來越長，碳纖維復合材料將成為超長葉片材料的不二選擇。