创新设计 让碳纤维在风电领域应用爆发

自从风电成为碳纤维应用量第一大领域，相关行业的人都很关注。起初，人们都把注意力放在汽车领域，但是因为种种原因一直没有发展起来。而不经意间，风电领域异军突起。

这是因为在风电领域的碳纤维材料应用，开发出低成本，适合批量化生产的生产工艺，和应用方式。而这又得从根本上得力于风电的设计变化，正是设计创新，使碳纤维在风电上的应用有了重大的飞跃。 

那么这些年风电的设计有哪些突破呢？

一. 风机的设计变化

早期的风机设备，主要用于农业的提水，磨坊的动力等，而真正的第一台用于工业的风机是美国人CharlesF.Brush发明的。

看看原始的工业风机，是多么的复杂，不谈别的，那么多叶片就叫人头疼。不过也可以理解，直观的概念，叶片越多，接触的风越多，效率越高。直到丹麦人Poul发现，快速转动，叶片数少的风机，比低速转动的风机效率高的多。后来人们又做了很多尝试，最终把叶片数量定在3个，最为有效，这就为现代风机定形。

二. 叶型设计的变化 

从最早的风机上看，叶片的叶型没啥讲究。但随着空气动力学的发展，科学家们对叶片的叶型研究开始重视起来。

叶片的工作原理

起初叶片叶型的设计通常采用航空上先进的飞机机翼翼型设计方法。

利用航空翼型来设计叶片的形状，起初应用最多的是NACA系列的航空翼型，比如NACA44XX，NA-CA23XX，NACA63XX及NASA LS等。但是这些翼型对前缘粗糙度非常敏感，一旦前缘由于污染变得粗糙，会导致翼型性能大幅度下降，年输出功率损失最高达30%。在认识到航空翼型不太适合于风电叶片后，上世纪80年代中期后，风电发达国家开始对叶片专用翼型进行研究，并成功开发出风电叶片专用翼型系列，比如美国Seri和NREL系列、丹麦RISO-A系列、瑞典FFA-W系列和荷兰DU系列。这些翼型各有优势，Seri系列对翼型表面粗糙度敏感性低；RISO-A系列在接近失速时具有良好的失速性能且对前缘粗糙度敏感性低；FFA-W系列具有良好的后失速性能。风机专用翼型将会在风电叶片设计中广泛应用。

FFA-W 翼型 

目前在大型叶片中DU翼型和FFA-W翼型应用较多。DU翼型对上表面厚度进行限制，有低粗糙敏感性和低噪声等性能特点。该翼型是应用广泛，从直径29m～100m，最大功率从350kW到3.5MW，如GE，Repower，Dewind, Suzlon, Gamesa, LM, NEG Mico，以及国内的东方电气等多个厂家的风机组都应用过该翼型。

FFA-W翼型具有最大升力系数和升阻比，且在失速工况下具有良好的气动性能，并且对前缘粗糙度不敏感。如目前LM公司已在大型风机叶片上采用瑞典FFA-W翼型。 不同的翼型各有自己的特点，因此在实际使用的叶片中不同部位采取不同的翼型设计。如AAERPAC公司开发生产APX45 叶片，适用于失速调 节和变桨控制的机型 , 叶尖翼型为 NACA632xx, 叶片中部为FFA 翼型 ,叶根部分采用 DU翼型。

明阳风电集团设计开发了一款3MW叶片,叶片长度为48.25 米,翼型采用FFA-W翼型和NACA翼型混合式，叶根部分到距叶根24 米的地方用FFA-W翼型，叶尖部分采用NACA63翼型。

三.叶片结构的设计变化

 风电作为一种清洁的新能源，发展迅速。而叶片也越来越长。

目前超过100米的叶片已经出现。如在LM风电公司的法国瑟堡的工厂，为GE's Haliade-X12兆瓦海上风电机组生产的第一支叶片有107米之长，它是世界上第一支超过100米的风机叶片。

叶轮直径的增加对叶片的质量及抗拉强力提出了更轻、更高的要求。叶片是一个细长的受力结构。这一点有点类似于梁。

主梁承担大部分弯曲载荷，是叶片的主要承载结构，常用的形式有D型,0型、矩形和双拼槽钢等。随着技术成熟度的提高，双拼槽钢结构逐渐成为主体。目前大型风电叶片的结构都为蒙皮主梁形式（见下图），蒙皮主要由双轴复合材料层增强，提供气动外形并承担大部分剪切载荷。后缘空腔较宽，采用夹芯结构，提高其抗失稳能力。结构主梁主要为单向复合材料层增强，是叶片的主要承载结构。腹板为夹芯结构，对主梁起到支撑作用。

四. 叶片材料及工艺的设计变化 

风电的100多年发展很快，不仅形状，结构等变化很大，材料的变化也很大。从最初的木制叶片及布蒙皮叶片开始，经历了钢梁玻璃纤维蒙皮叶片、铝合金叶片、玻璃钢叶片、玻璃钢复合材料叶片，目前已经采用高强轻质的碳纤维增强复合材料。

玻璃钢复合材料叶片强度高、重量轻、耐老化，因此在大、中型风力机叶片一中被广泛采用。玻璃钢叶片的性能还可以通过表面改性、上浆和涂覆加以改进。 但随着风机的功率的增加，叶片长度的不断增大，自身重量也不断增加，在很多场合已不能满足要求。在这种情况下，具备高强高模、低密度的碳纤维复合材料，成为了人们的重点考虑的对象。

技术人员尝试在叶片多个部位应用碳纤维复合材料。随着叶片长度的增加，刚度是一个十分重要的指标，为了加强叶片刚度同时减轻叶片的重量，在大型和超大型风力机叶片中的局部高应力区域，碳纤维增强复合材料逐渐被采用，这就是叶片的梁。叶片的大梁相当于人的脊梁骨，长长的叶片就是靠大梁支撑起来！

例如LM公司开发的应用于5MW风力发电机上的61.5m长的大型风机叶片，其重量为17.7t，在横梁和端部就使用了碳纤维增强材料。Vestas公司在其3MW机型44m的叶片主梁上也使用了碳纤维，使得叶片重量降至6t，与2MW机型使用的39m叶片质量相同。

中材叶片在2014年成功研制出国内最长的6MW风机叶片，该叶片全长77.7m，质量28t，其中主梁由5t的国产CFRP制成，而如采用GFRP设计，则该叶片质量将约达36t。吉林重通于2018年2月推出的长83.6米的风机叶片，采取了灌注工艺制备的碳纤维的大梁，该叶片重量25.2吨，减轻了接近11吨的重量。 

目前碳纤维主梁的工艺主要有三种：预浸料工艺、碳布灌注工艺和拉挤碳板工艺。这是基于风电传统工艺和碳纤维工艺特点形成的。预浸料工艺是最传统的碳纤维复合材料加工工艺，因此最初制作叶片大梁也使用预浸料。碳布灌注工艺是目前多家风机及叶片厂家使用的工艺，普通叶片的玻纤大梁就采取该工艺。该工艺比较成熟。拉挤工艺是复材一种传统工艺，近几年新开发的用于风电大梁。 因为叶片都很长，因此没有办法采取传统的高温固化。

如此制作叶片大梁使用的碳纤维预浸料是一种低温固化预浸料，加工工艺采取的真空袋压的方式，该工艺对手工操作要求较高，而且固化时间也较长。预浸料工艺制备碳纤维大梁，以手工方式铺放，生产复杂形状结构件的理想工艺，工艺及设备也成熟， 劳动环境比较差，效率低，成本很高，目前多在样机中使用，无法满足批量化使用的要求。

灌注工艺对模具要求不高，模具制作简单，甚至可以利用现有模具，产品质量稳定性高，重复性能好，制品表观质量好，相同铺层厚度薄，强度高。但该工艺对碳布要求较高，且生产效率不高，成本也较高，而且一旦出问题，就会导致整个碳梁报废，因此制约了其推广。 拉挤工艺是复合材料工艺中效率最高、成本最低的，而且纤维含量高，质量稳定，连续成型易于自动化，适合大批量生产。

利用碳纤维拉挤板材制备叶片大梁可以和叶片一起制作，铺层工艺简单，利用该工艺制作叶片的时间只有灌注工艺的一半，但对叶型设计有较高要求。

该工艺由维斯塔斯首先开发应用于风电大梁，该公司开发成功后，开始大规模推广。该工艺利用利用制作好的碳纤维拉挤板材，在特定的工装辅助下，进行铺叠就可以了，简化了工艺，缩短了时间。

目前维斯塔斯兆瓦级以上风机叶片都使用碳纤维复合材料，极大的推动了碳纤维在风电领域的应用，2016年全球碳纤维用量首次超过航空航天，成为碳纤维用量最大的领域，2019年风电使用的碳纤维2万多吨，而维斯塔斯一家用量就在2万吨左右。预计近几年还会保持20%的增长。而在这期间，国内企业把握时机，涌现出光威复材，澳盛科技等生产风电用碳纤维拉挤板材的规模化生产企业。 碳纤维制作叶片大梁的不同工艺受到了多家公司的研究，而随着风电的快速发展，大叶片的趋势也越来越明显，碳纤维在叶片中应用也成了必然。但三种工艺差异明显，如何选择就是一个问题。

下表是某家公司对三种工艺的分析对比。

五.总结

碳纤维在风电领域应用的快速增长，可以说是应用领域这些年最大的成功，极大的推动了行业的进步。我们反思成功的原因，其设计的进步是重点。碳纤维性能优越，但成本高，加工工艺复杂多样，这是行业内共知的。但如何更好的应用碳纤维，却一直是一个行业公认的问题。之所以碳纤维在风电领域成功应用，首先源于风力的设计创新，并坚持不懈。最初风电叶片用碳纤维预浸料，后来用碳布灌注工艺，最后选择了碳纤维拉挤工艺。

可以想象，这个过程中一定遇到很多问题和麻烦。如果真的很挑剔或没有耐心，估计就黄了。而坚持下去，再加上设计创新，使效率高，成本低的碳纤维拉挤工艺可以利用的得上。正是这种设计创新，带动材料创新，工艺创新，使碳纤维在风电中的应用实现标准化，模块化，简化了后加工工艺，才有该领域应用的爆发性增长