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。

 

葉片材料：雪松木，葉片長(zhǎng)度：8.5米。‍

 

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

 

 

葉片材料：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，葉片長(zhǎng)度：83.6米。

 

葉片材料的演變經(jīng)歷三個(gè)時(shí)期：木質(zhì)材料→金屬材料→復(fù)合材料。

 

        在葉片的成本中，葉片選材占大頭，對(duì)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(fù)合材料葉片。

 

首先，風(fēng)電葉片要足夠輕。在相同的風(fēng)速下，更輕的葉片更容易旋轉(zhuǎn)，那么其風(fēng)力轉(zhuǎn)換效率就會(huì)大大提高。另外，還需要高強(qiáng)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(gè)逐步輕量化，高性能化，低成本化的漫長(zhǎng)的篩選和開發(fā)過程。

 

木質(zhì)葉片

 

        早期的風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(qiáng)度不高，在潮濕環(huán)境下也容易腐蝕;而且隨著大、中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展，木質(zhì)葉片越來(lái)越無(wú)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(tái)。

 

 

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(diǎn)，而且金屬材料的價(jià)格低廉，在木質(zhì)葉片之后的很長(zhǎng)一段時(shí)間被認(rèn)為是風(fēng)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(duì)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(duì)葉片的保養(yǎng)和后期維護(hù)提出了挑戰(zhàn)。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料葉片

 

       1950年，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(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。

 

       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(guó)內(nèi)最長(zhǎng)葉片的碳纖維主梁生產(chǎn)線(實(shí)現(xiàn)減重30%)

 

纖維增強(qiáng)復(fù)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?yán)美w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(rùn)的纖維結(jié)構(gòu)隨即成為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，這是真空吸注成型的原理。不同的葉片型號(hào)，會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的整體結(jié)構(gòu)，即復(fù)合材料葉片。

 

        與傳統(tǒng)金屬材料葉片相比，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料葉片的優(yōu)勢(shì)更為明顯：與真空吸注工藝結(jié)合使得生產(chǎn)效率大大提高;通過調(diào)控纖維方向可設(shè)計(jì)不同性能的葉片;一體化成型，產(chǎn)品尺度限制小;高強(qiáng)高韌，特別適合制造大型風(fēng)電葉片。因?yàn)?，基于以上?yōu)勢(shì)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料葉片成為現(xiàn)今風(fēng)電葉片的主導(dǎo)。

 

 

 

       國(guó)內(nèi)目前風(fēng)電葉片材料是這么個(gè)情況：我國(guó)較小型葉片(如22 m長(zhǎng))一般選用量大、價(jià)廉的玻璃纖維增強(qiáng)塑料，基體樹脂以不飽和聚酯樹脂為主;而較大型葉片(長(zhǎng)度42 m以上)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則選用碳纖維復(fù)合材料或碳纖維與玻璃纖維的混雜復(fù)合材料，采用真空導(dǎo)入生產(chǎn)工藝，而基體樹脂則以環(huán)氧樹脂為主。未來(lái)的發(fā)展方向是低成本、高性能、環(huán)保。

 

        但是，海上風(fēng)電正在對(duì)葉片材料提出更高的要求。由于海上風(fēng)電葉片的嚴(yán)苛要求，陸上大規(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。

 

       但是有一點(diǎn)，碳纖維復(fù)合材料的價(jià)格要遠(yuǎn)高于玻璃纖維，這是致命傷，昂貴的價(jià)格大大限制了它在風(fēng)電葉片上的大范圍應(yīng)用。然而，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用已成為趨勢(shì)，隨著葉片越來(lái)越長(zhǎng)，碳纖維復(fù)合材料將成為超長(zhǎng)葉片材料的不二選擇。