风能作为一种绿色环保型能源是可再生能源中最具开发潜力的能源之一，风机叶片是风力发电系统的关键动部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素，是风力发电机获得较高风能利用系数和较大经济效益的基础。

       随着现代风电技术的发展及日趋成熟，为了降低风电单位成本，风机功率不断提高，风力发电机组研究正沿着增大单机容量、减轻单位千瓦质量、提高转换效率的方向发展。随着风机叶片的加长，玻璃纤维复合材料叶片已不能满足性能要求，碳纤维复合材料叶片不仅在风机强度和刚度等力学性能方面都满足要求，而且轻量化、耐腐蚀的特征也成为海上风能叶片的需求。国外已展开碳纤维风电叶片的应用，维斯塔斯（Vestas）生产的V-90型3.0MW风机叶片与玻璃纤维相比减重32%。歌美飒（Gamesa）生产的长达44m的2.0MW风机叶片采用碳纤维/环氧树脂预浸料，质量仅7000kg。南通东泰生产的2MW碳纤维风机叶片主梁，既保证叶片高强度，又顺应了大型化、轻量化方向。荷兰戴尔佛理工大学研制的直径120m风机叶片，梁结构采用碳纤维重量减轻40%。

       1、碳纤维主要应用部件

 风电叶片发展初期，由于叶片较小，有木叶片、布蒙皮叶片、钢梁玻璃纤维蒙皮叶片、铝合金叶片等等，随着叶片向大型化方向发展，复合材料逐渐取代其他材料几乎成为大型叶片的唯一可选材料。复合材料具有其它单一材料无法比拟的优势之一就是其可设计性，通过调整单层的方向，可以获得该方向上所需要的强度和刚度。更重要的是可利用材料的各向异性，使结构不同变形形式之间发生耦合。比如由于弯扭耦合，使得结构在只受到弯矩作用时发生扭转。在过去，叶片横截面耦合效应是一个让设计人员头疼的难题，设计工程想方设法消除耦合现象。但在航空领域人们开始利用复合材料的弯扭耦合，拉剪耦合效应，提高机翼的性能。受此启发人们在风电叶片上引人弯扭耦合设计概念，控制叶片的气弹变形，这就是气弹剪裁。通过气弹剪裁，降低叶片的疲劳载荷，并优化功率输出。而在选择叶片材料的问题上，由于碳纤维比玻璃纤维昂贵，采用百分之百的碳纤维制造叶片从成本上来说是不合算的。目前国外碳纤维主要是和玻璃纤维混和使用，碳纤维只是用在一些关键的部分。

主要有以下部位

（1）横梁，尤其是横梁盖是目前碳纤维在风电叶片中最重要的部位。相比玻璃纤维复合材料，碳纤维复合材料在提高叶片强度的同时却大幅减轻了自身重量。

（2）蒙皮表面，蒙皮表面整体使用碳纤维，可以降低作用在内支撑梁上的受力和扭矩，通过设计可以实现“材料诱导式”的叶片受载弯扭耦合。据NEG麦康公司的专利报导，叶片在总长度的60％～85％部分用CFRP条带加固叶片蒙皮横截面外部圆周的一个薄层，该薄层可提高蒙皮抵抗拉力和压力的能力

（3）前后边缘，除了提高刚度和降低质量外，还起到避免雷击对叶片造成损伤的作用，如图3中涂黑的部分采用碳纤维 

（4）叶片根部，碳纤维应用于叶片根部时，不仅可以提高根部材料的断裂强度和承载强度，使施加在螺栓上的动态载荷减小，还可以增加叶根法兰处的螺栓数量，从而增加叶片和轮毂连接处的静态强度和疲劳强度

（5）靠近叶尖部分。由于靠近叶尖的部分采用CFRP，其质量较小，靠近叶根部分可以使用较少的材料，减小了在风机轮毂上的负载。此外，刚度较大的叶尖部分可以减小由于叶片偏振太厉害以致叶片尖部击打杆塔的危险。相对较硬的叶尖部分和相对较低刚度的叶根部分形成了一个有利的偏斜形状，气动阻尼增加，可以减小气动载荷。

 (6) 定桨矩风机叶尖刹车段的碳纤维轴。在风力发电叶片的材料选用上，混杂纤维增强技术需要发挥各种纤维的性能优势，保证良好的浸润性，保证碳纤维的伸直取向，在保证性能优良的情况下降低成本。我国还需要进一步探索这种混杂技术。目前碳纤维主要应用在风机的主梁结构，未来3年风机功率将从2MW向5MW过渡，而主梁会采用碳纤维/玻璃纤维混合的方式以实现性价比最大化。

       2、碳纤维复合材料的优势（1）提高叶片刚度，减轻叶片重量碳纤维的密度比玻璃纤维小约30%，强度大40%，尤其是模量高3至8倍。大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。荷兰戴尔弗理工大学研究表明，一个旋转直径为120米的风机的叶片，由于梁的质量超过叶片总质量的一半，梁结构采用碳纤维，和采用全玻纤的相比，重量可减轻40%左右;碳纤维复合材料叶片刚度是玻璃纤维复合材料叶片的两倍。据分析，采用碳/玻混杂增强方案，叶片可减重20%～30%。

（2）使风机的输出功率更平滑更均衡，提高风能利用效率  使用碳纤维后，叶片重量的降低和刚度的增加改善了叶片的空气动力学性能，减少对塔和轮轴的负载，从而使风机的输出功率更平滑和更均衡，提高能量效率。同时，碳纤维叶片更薄，外形设计更有效，叶片更细长，也提高了能量的输出效率。

（3）提高叶片抗疲劳性能  风机总是处在条件恶劣的环境中，并且24小时的处于工作状态。这就使材料易于受到损害。一般认为CFRP相比GFRP韧性较小，更具有脆性，但是相关研究表明，当碳纤维与树脂材料混合时，通过一定的复合加工成型工艺，以及生产质量的控制和叶片结构和几何形状的优化，就可以保证叶片的寿命要求，能够满足在恶劣气候环境状况下的正常工作。 

（4）可制造低风速叶片  碳纤维的应用可以减少负载和增加叶片长度，从而制造适合于低风速地区的大直径风叶，使风能成本下降。

（5）可制造自适应叶片  叶片装在发电机的转轮上，叶片的角度可调。目前主动型调节风机的设计风速为13 to15m/s，当风速超过时，则调节风叶斜度来分散超过的风力，防止对风机的损害。斜度控制系统对逐步改变的风速是有效的，但对狂风的反应太慢了，自适应的各向异性叶片可帮助斜度控用系统(thepitch control system)，在突然的、瞬间的和局部的风速改变时保持电流的稳定。自适应叶片充分利用了纤维增强材料的特性，能产生非对称性和各向异性的材料，采用弯曲/扭曲叶片设计，使叶片在强风中旋转时可减少瞬时负载。美国Sandia National Laboratories致力于自适应叶片的研究，使1.5MW的风机发电成本降到4.9美分/(kW·h)，价格可和燃料发电相比。

（6）利用导电性能避免雷击  利用碳纤维的导电性能，通过特殊的结构设计，可有效地避免雷击对叶片造成的损伤。具有振动阻尼特性。碳纤维的振动阻尼特性可避免叶片自然频率与塔暂短频率间发生任何共振的可能性。

      21世纪是高效、洁净和安全利用新能源的时代，随着风电单机容量的增大，叶片尺寸趋于大型化，全球风电行业迫切需要先进复合材料及其制造技术，使得叶片生产材料必然向着强度更大、抗疲劳特性更好、质量更轻的方向发展，所以碳纤维复合材料叶片具有极大优势和发展前景。研究结果和实际应用情况均证实碳纤维应用到风机叶片中的可行性，于此同时我们应该清楚认识到在进一步推广应用碳纤维复合材料所遇到的问题，然后从原材料的制备、叶片结构的优化，成型工艺技术的提升、质量控制等方面深入研究，不断提高技术水平和创新能力，以求碳纤维增强材料在风电领域得到更进一步的应用。