自從風電成為碳纖維應用量第一大領域，相關行業的人都很關注。起初，人們都把注意力放在汽車領域，但是因為種種原因一直沒有發展起來。而不經意間，風電領域異軍突起。這是因為在風電領域的碳纖維材料應用，開發出低成本，適合批量化生產的生產工藝，和應用方式(參看為什麼風電成了碳纖維應用的突破口？)。而這又得從根本上得力於風電的設計變化，正是設計創新，使碳纖維在風電上的應用有了重大的飛躍。
那麼這些年風電的設計有哪些突破呢？
一. 風機的設計變化
上圖是早期的風機設備，主要用於農業的提水，磨坊的動力等，而真正的第一臺用於工業的風機是美國人CharlesF.Brush發明的。
看看原始的工業風機，是多麼的複雜，不談別的，那麼多葉片就叫人頭疼。不過也可以理解，直觀的概念，葉片越多，接觸的風越多，效率越高。直到丹麥人Poul發現，快速轉動，葉片數少的風機，比低速轉動的風機效率高的多。
後來人們又做了很多嘗試，最終把葉片數量定在3個，最為有效，這就為現代風機定形。
二. 葉型設計的變化
從最早的風機上看，葉片的葉型沒啥講究。但隨著空氣動力學的發展，科學家們對葉片的葉型研究開始重視起來。
葉片的工作原理
起初葉片葉型的設計通常採用航空上先進的飛機機翼翼型設計方法。
利用航空翼型來設計葉片的形狀，起初應用最多的是NACA系列的航空翼型，比如NACA44XX，NA-CA23XX，NACA63XX及NASA LS等。但是這些翼型對前緣粗糙度非常敏感，一旦前緣由於汙染變得粗糙，會導致翼型性能大幅度下降，年輸出功率損失最高達30%。在認識到航空翼型不太適合於風電葉片後，上世紀80年代中期後，風電發達國家開始對葉片專用翼型進行研究，併成功開發出風電葉片專用翼型系列，比如美國Seri和NREL系列、丹麥RISO-A系列、瑞典FFA-W系列和荷蘭DU系列。這些翼型各有優勢，Seri系列對翼型表面粗糙度敏感性低；RISO-A系列在接近失速時具有良好的失速性能且對前緣粗糙度敏感性低；FFA-W系列具有良好的後失速性能。風機專用翼型將會在風電葉片設計中廣泛應用。
NACA翼型
NREL 翼型
DU 系列翼型
RISO-A翼型
FFA-W 翼型
目前在大型葉片中DU翼型和FFA-W翼型應用較多。DU翼型對上表面厚度進行限制，有低粗糙敏感性和低噪聲等性能特點。該翼型是應用廣泛，從直徑29m～100m，最大功率從350kW到3.5MW，如GE，Repower，Dewind, Suzlon, Gamesa, LM, NEG Mico，以及國內的東方電氣等多個廠家的風機組都應用過該翼型。FFA-W翼型具有最大升力係數和升阻比，且在失速工況下具有良好的氣動性能，並且對前緣粗糙度不敏感。如目前LM公司已在大型風機葉片上採用瑞典FFA-W翼型。
不同的翼型各有自己的特點，因此在實際使用的葉片中不同部位採取不同的翼型設計。如AAERPAC公司開發生產APX45 葉片，適用於失速調 節和變槳控制的機型 , 葉尖翼型為 NACA632xx, 葉片中部為FFA 翼型 ,葉根部分採用 DU翼型。明陽風電集團設計開發了一款3MW葉片,葉片長度為48.25 米,翼型採用FFA-W翼型和NACA翼型混合式，葉根部分到距葉根24 米的地方用FFA-W翼型，葉尖部分採用NACA63翼型。
某葉型示意圖
三.葉片結構的設計變化
風電作為一種清潔的新能源，發展迅速。而葉片也越來越長。
目前超過100米的葉片已經出現。如在LM風電公司的法國瑟堡的工廠，為GE's Haliade-X12兆瓦海上風電機組生產的第一支葉片有107米之長，它是世界上第一支超過100米的風機葉片。
葉輪直徑的增加對葉片的質量及抗拉強力提出了更輕、更高的要求。葉片是一個細長的受力結構。這一點有點類似於梁。
主樑承擔大部分彎曲載荷，是葉片的主要承載結構，常用的形式有D型,0型、矩形和雙拼槽鋼等。隨著技術成熟度的提高，雙拼槽鋼結構逐漸成為主體。目前大型風電葉片的結構都為蒙皮主樑形式（見下圖），蒙皮主要由雙軸複合材料層增強，提供氣動外形並承擔大部分剪切載荷。後緣空腔較寬，採用夾芯結構，提高其抗失穩能力。結構主樑主要為單向複合材料層增強，是葉片的主要承載結構。腹板為夾芯結構，對主樑起到支撐作用。
四. 葉片材料及工藝的設計變化
風電的100多年發展很快，不僅形狀，結構等變化很大，材料的變化也很大。從最初的木製葉片及布蒙皮葉片開始，經歷了鋼樑玻璃纖維蒙皮葉片、鋁合金葉片、玻璃鋼葉片、玻璃鋼複合材料葉片，目前已經採用高強輕質的碳纖維增強複合材料。玻璃鋼複合材料葉片強度高、重量輕、耐老化，因此在大、中型風力機葉片一中被廣泛採用。玻璃鋼葉片的性能還可以通過表面改性、上漿和塗覆加以改進。
但隨著風機的功率的增加，葉片長度的不斷增大，自身重量也不斷增加，在很多場合已不能滿足要求。在這種情況下，具備高強高模、低密度的碳纖維複合材料，成為了人們的重點考慮的對象。
技術人員嘗試在葉片多個部位應用碳纖維複合材料。隨著葉片長度的增加，剛度是一個十分重要的指標，為了加強葉片剛度同時減輕葉片的重量，在大型和超大型風力機葉片中的局部高應力區域，碳纖維增強複合材料逐漸被採用，這就是葉片的梁。葉片的大梁相當於人的脊樑骨，長長的葉片就是靠大梁支撐起來！
例如LM公司開發的應用於5MW風力發電機上的61.5m長的大型風機葉片，其重量為17.7t，在橫樑和端部就使用了碳纖維增強材料。Vestas公司在其3MW機型44m的葉片主樑上也使用了碳纖維，使得葉片重量降至6t，與2MW機型使用的39m葉片質量相同。中材葉片在2014年成功研製出國內最長的6MW風機葉片，該葉片全長77.7m，質量28t，其中主樑由5t的國產CFRP製成，而如採用GFRP設計，則該葉片質量將約達36t。吉林重通於2018年2月推出的長83.6米的風機葉片，採取了灌注工藝製備的碳纖維的大梁，該葉片重量25.2噸，減輕了接近11噸的重量。
目前碳纖維主樑的工藝主要有三種：預浸料工藝、碳布灌注工藝和拉擠碳板工藝。這是基於風電傳統工藝和碳纖維工藝特點形成的。預浸料工藝是最傳統的碳纖維複合材料加工工藝，因此最初製作葉片大梁也使用預浸料。碳布灌注工藝是目前多家風機及葉片廠家使用的工藝，普通葉片的玻纖大梁就採取該工藝。該工藝比較成熟。拉擠工藝是復材一種傳統工藝，近幾年新開發的用於風電大梁。
因為葉片都很長，因此沒有辦法採取傳統的高溫固化。如此製作葉片大梁使用的碳纖維預浸料是一種低溫固化預浸料，加工工藝採取的真空袋壓的方式，該工藝對手工操作要求較高，而且固化時間也較長。預浸料工藝製備碳纖維大梁，以手工方式鋪放，生產複雜形狀結構件的理想工藝，工藝及設備也成熟， 勞動環境比較差，效率低，成本很高，目前多在樣機中使用，無法滿足批量化使用的要求。灌注工藝對模具要求不高，模具製作簡單，甚至可以利用現有模具，產品質量穩定性高，重複性能好，製品表觀質量好，相同鋪層厚度薄，強度高。但該工藝對碳布要求較高，且生產效率不高，成本也較高，而且一旦出問題，就會導致整個碳梁報廢，因此制約了其推廣。
拉擠工藝是複合材料工藝中效率最高、成本最低的，而且纖維含量高，質量穩定，連續成型易於自動化，適合大批量生產。
某玻璃鋼拉擠工藝示意圖
利用碳纖維拉擠板材製備葉片大梁可以和葉片一起製作，鋪層工藝簡單，利用該工藝製作葉片的時間只有灌注工藝的一半，但對葉型設計有較高要求。該工藝由維斯塔斯首先開發應用於風電大梁，該公司開發成功後，開始大規模推廣。該工藝利用利用製作好的碳纖維拉擠板材，在特定的工裝輔助下，進行鋪疊就可以了，簡化了工藝，縮短了時間。目前維斯塔斯兆瓦級以上風機葉片都使用碳纖維複合材料，極大的推動了碳纖維在風電領域的應用，2016年全球碳纖維用量首次超過航空航天，成為碳纖維用量最大的領域，2019年風電使用的碳纖維2萬多噸，而維斯塔斯一家用量就在2萬噸左右。預計近幾年還會保持20%的增長。而在這期間，國內企業把握時機，湧現出光威復材，澳盛科技等生產風電用碳纖維拉擠板材的規模化生產企業。
碳纖維製作葉片大梁的不同工藝受到了多家公司的研究，而隨著風電的快速發展，大葉片的趨勢也越來越明顯，碳纖維在葉片中應用也成了必然。但三種工藝差異明顯，如何選擇就是一個問題。下表是某家公司對三種工藝的分析對比。
五.總結
碳纖維在風電領域應用的快速增長，可以說是應用領域這些年最大的成功，極大的推動了行業的進步。我們反思成功的原因，其設計的進步是重點。碳纖維性能優越，但成本高，加工工藝複雜多樣，這是行業內共知的。但如何更好的應用碳纖維，卻一直是一個行業公認的問題。之所以碳纖維在風電領域成功應用，首先源於風力的設計創新，並堅持不懈。最初風電葉片用碳纖維預浸料，後來用碳布灌注工藝，最後選擇了碳纖維拉擠工藝。可以想象，這個過程中一定遇到很多問題和麻煩。如果真的很挑剔或沒有耐心，估計就黃了。而堅持下去，再加上設計創新，使效率高，成本低的碳纖維拉擠工藝可以利用的得上。正是這種設計創新，帶動材料創新，工藝創新，使碳纖維在風電中的應用實現標準化，模塊化，簡化了後加工工藝，才有該領域應用的爆發性增長
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