풍력 블레이드 개발 초기에는 블레이드가 작기 때문에 목재 블레이드, 천 스킨 블레이드, 강철 빔 유리 섬유 스킨 블레이드, 알루미늄 합금 블레이드 등이 있습니다. 블레이드가 큰 방향으로 발전함에 따라 규모 개발, 복합 재료는 점차 다른 재료를 대체했습니다. 대형 블레이드에 사용할 수 있는 유일한 재료입니다.
다른 단일 재료가 따라할 수 없는 복합 재료의 장점 중 하나는 디자인성입니다. 단층의 방향을 조정하여 이 방향으로 필요한 강도와 강성을 얻을 수 있습니다. 더 중요한 것은 재료의 이방성을 사용하여 구조의 다양한 변형 형태를 결합할 수 있다는 것입니다. 예를 들어 굽힘 및 비틀림 결합으로 인해 굽힘 모멘트만 가해지면 구조가 비틀립니다.
과거에는 블레이드의 단면 결합 효과가 설계자에게 골칫거리였으며 설계 엔지니어링은 결합 현상을 제거하기 위해 모든 수단을 시도했습니다. 그러나 항공 분야에서 사람들은 날개의 성능을 향상시키기 위해 복합 재료의 굽힘-비틀림 결합 및 인장-전단 결합 효과를 사용하기 시작했습니다. 블레이드에서 굽힘 및 비틀림 결합을 유도하는 설계 개념은 공기탄성 재단인 블레이드의 공탄성 변형을 제어합니다. 공탄성 절단을 통해 블레이드의 피로 하중을 줄이고 출력을 최적화합니다.
유리 섬유 강화 플라스틱(FRP)은 최신 팬 블레이드에 가장 일반적으로 사용되는 복합 재료입니다. FRP는 저렴한 가격과 우수한 성능으로 대형 팬 블레이드 소재의 지배적 위치를 차지하고 있습니다. 그러나 블레이드가 점차 커지면서 윈드 휠의 직경은 120m를 초과했으며 가장 긴 블레이드는 61.5m에 도달했으며 블레이드의 무게는 18t에 도달했습니다. 이것은 재료의 강도와 강성에 대한 요구 사항을 더욱 엄격하게 합니다. 전체 유리 섬유 강화 플라스틱 블레이드는 더 이상 대규모 및 경량 블레이드의 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 그런 다음 NEGMiconNM82.40m 길이 블레이드, LM61.5m 길이 블레이드와 같이 탄소 섬유 또는 기타 고강도 섬유가 블레이드의 국소 영역에 적용됩니다. 모두 높은 응력 영역에서 탄소 섬유를 사용합니다. 블레이드가 증가함에 따라 강성은 점차 중요해지고 차세대 MW급 블레이드 설계의 핵심이 되었습니다.
탄소 섬유의 사용은 풍력 터빈 블레이드의 강성을 크게 향상시켰지만 자체 무게는 증가하지 않았습니다. Vestas는 V903.OMW 모델용 44m 시리즈 블레이드의 메인 빔에 탄소 섬유를 사용합니다. 블레이드의 무게는 6t에 불과해 V802MW, 39m 블레이드 무게와 맞먹는다. 미국과 유럽의 연구 보고서에 따르면 탄소 섬유를 포함하는 내하중 유리 섬유 라미네이트는 MW급 블레이드에 대한 매우 효과적인 대안입니다. EC가 자금을 지원한 연구 프로젝트에서 직경 120m 풍력 터빈의 블레이드에 탄소 섬유를 사용하면 전체 자체 중량을 38% 효과적으로 줄이고 설계 비용을 14% 줄일 수 있다고 지적했습니다. 그러나 탄소 섬유는 고가이므로 팬 블레이드에 대한 사용이 크게 제한됩니다.
오늘날 탄소 섬유 산업은 항공 응용 분야에 고부가가치를 제공하는 경량, 우수한 구조 및 열 특성의 개발에 여전히 중점을 두고 있습니다. 그러나 많은 연구자들은 탄소섬유의 적용이 점차 증가할 것이라고 과감하게 예측하고 있다. 풍력 에너지의 비용 효율성은 탄소 섬유가 사용되는 방식에 따라 달라집니다. 향후 유리섬유를 대량으로 교체할 경우 경쟁력을 갖추기 위해서는 저렴한 가격이 필요하다.