风能是一种清洁的能源，人类使用风能的时间很早，例如早期发明帆船水上航行。1888年，美国人查尔斯·布鲁斯在克里夫兰建成第一座可以发电的风力发电机。20世纪70年代，能源危机的发生进一步促进了风电产业的发展。此时，作为清洁能源的一种，风能被广泛接受，很多国家将其列为国家层面的产业进行推广和扶持。进入20世纪80年代，大型风力发电机的商业化应用逐渐展开，各种不同概念的风机相继出现，其中，水平轴三叶片风力发电机在竞争中逐渐胜出，成为了商业应用的主流。
我国针对风力发电课题的研究始于20世纪50年代。1986年，山东荣成建成我国第一个并网发电的风力发电场，此后风电产业发展迅速。20世纪90年代，我国的风电行业迅速崛起，涌现出金风科技、国电联合动力、远景能源、明阳科技等一批国际知名的风电企业。最近几年我国风电的新增装机容量一直稳居全球首位。全球风能理事会（GWEC）统计数据显示，2017年全球市场新增容量超过52 GW， 全球累计容量达到539.6GW。当年，中国新增装机容量19.5GW，累计装机容量达到188GW。可见我国总机容量占全球近1/3，新增装机容量约占全球四成，我国已经是名副其实的风电大国！
风电机组组成
市场上通用的风电机组由基座、塔筒、机仓、叶片组成，其中，塔筒提升风机高度，并可以作为传输线路的通道；机仓内装盛各种发电机组和其他控制设备；叶片是风力发电机组的关键部件之一，其设计、材料和工艺决定着风力发电装置的性能和功率。
风电机叶片是一个薄壳结构，一般由叶片大梁、腹板、外蒙皮组成。在风电发展的100多年时间里，先后出现了木材、布、铝合金等叶片材料。后来，具有高比强度、可设计性强的复合材料成为商业级叶片的主体制造材料，风电领域也成为复合材料最重要的应用领域之一。复合材料在整个风电叶片中的重量一般占到90%以上。大部分叶片采用廉价的玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂体系。但玻纤复合材料比较重，自身会消耗较多的能量，发电效率不高。随着风机功率的增加，叶片长度的不断增大，自身重量也不断增加，该材料在很多场合已不能满足要求。在此形势下，具备高强、高模、低密度的碳纤维复合材料，成为了人们重点考虑的对象。
目前碳纤维复合材料在风电叶片中已经有较多的应用，如应用于叶片大梁、蒙皮等，其中以叶片大梁应用最多。碳纤维复合材料的使用具有以下优点：降低风机叶片重量，增加叶片长度，提高发电功率；使电机重量相应减轻，辅助设施也可以相应瘦身；降低运输、安装等难度，减少费用。
碳纤维在风电机组全生命周期的应用
有研究者运用生命周期分析方法对风力发电系统的六个阶段进行分析，具体如图1所示。我们从风电机组本身出发，把上述风电机组生命周期过程简单归纳为部件及整机制造、运输、风场建造及安装、运维、报废等五个方面，探讨碳纤维及复合材料在风电机组全生命周期的应用。
1. 部件及整机制造
目前碳纤维及复合材料在风电的应用主要集中于叶片，包括主梁、部分蒙皮、前缘、后缘等。在主梁中的应用如表1所示。目前碳纤维主梁的生产工艺主要有三种：预浸料工艺、碳布灌注工艺和拉挤碳板工艺。预浸料工艺制备碳纤维大梁，是以手工方式铺放，生产复杂形状结构件的理想工艺，工艺及设备成熟，但劳动环境比较差，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。碳布灌注工艺是目前多家风机及叶片厂家使用的工艺，该工艺比较成熟，对模具要求不高，模具制作简单，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，制约了其推广。拉挤碳板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，且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。利用该工艺制作叶片大梁是维斯塔斯公司的核心工艺，目前已开始大规模推广，该公司兆瓦级以上风机叶片都使用碳纤维复合材料，极大地推动了碳纤维在风电领域的应用。2017年全球风电使用的碳纤维达24000多吨，仅维斯塔斯一家用量就在2万吨左右。
风电机组的其他部位也有碳纤维大展身手的机会。2002年，美国风塔系统公司开展了一项美国能源部资助的研发项目，对更轻、更高兆瓦级以上风电机组塔筒进行商业化。该公司后改名为风塔复合材料公司（Wind Tower Composite），它开发和测试了80m高的1.5 MW风电机组塔筒和零部件。该塔筒采用了碳纤维增强聚合物管进行改造，与钢制塔筒相比，重量降低了20%，生产成本降低了25%。
此外，目前风电机组的机舱罩主要由玻璃钢建造，随着风电机组的功率越来越大，电机设备变大，机舱罩也会很大，普通的玻璃钢强度可能达不到要求，所以可以利用碳纤维复合材料进行加固。
2.运输及安装
随着风电功率的增加，叶片的长度越来越长，其运输、安装的难度会越来越大。而碳纤维复合材料用于叶片将提高其轻量化效果，使其运输、吊装、安装等难度变小。此外，运输车辆及安装设备本身也可以利用碳纤维复合材料进行轻量化。新建的风电机组多处于山区或海上，需要进行基础建设，碳纤维材料在此大有用武之地。南京水利科学院和中南勘探设计院在某风电项目建设中，利用预应力拉挤板材对风电机组的基础承台进行加固，取得了良好的效果。此外，碳纤维复合材料的应用也会使分段叶片连接处的结构设计难度大大下降。
3.运维
为保证风电机组的正常稳定和有效运行，并延长其使用寿命，对机组的检查、维护等工作必不可少。风电机组全年、全天候运行，高寒地区冬季的温度达到零下数十度，会造成叶片表面结冰。叶片结冰会改变叶片的气动结构，使叶片重量增加，不仅改变发电效率还会危及风电机组的安全运行。另外，叶片运行的线速度很快，碎冰飞出去容易伤人。若结冰太厚，机组需要停机进行除冰，将损失大量电能。而碳纤维除了轻量化，还有一个特性，即在通电情况下，可以成为良好的发热体，热转换效率达98%以上。因此，利用碳纤维通电后发热、融冰除雪是一个很好的选择。
叶片在运行过程中线速度最快可以达到数百公里以上，迎风面叶片会受到很大的冲击。另外，野外的风吹雨淋、热胀冷缩、盐雾腐蚀等都会造成叶片的损伤，当损伤超过一定的大小，就会影响叶片的正常运行，因此需要对叶片进行定期检查。传统的检查方法是停机，对叶片进行人工检查。随着机器人和无人机技术的发展，有望利用碳纤维机器人和无人机对叶片展开检查。
4.报废
当叶片完成其功能后，就需要拆解、报废，其中的碳纤维复合材料如何回收利用，也是一个必须考虑的问题。用作栏杆、装饰用品等多种方式被考虑过，但随着报废量的增大，必须要找更彻底的解决方案。目前上海交大的杨斌课题组主导的回收碳纤维项目即是针对类似情况，通过高温裂解的方法回收其中有用的碳纤维。
碳纤维目前在四个领域应用最多，即风电、航空航天、汽车和体育用品。2016年碳纤维在风电领域的用量首次超过航空航天。预计未来几年碳纤维在风电上的应用还会持续性增长，若能得到推广，使用量很可能会超过十万吨。国内碳纤维相关企业和风电企业对此要有足够的重视，以推动碳纤维在国内风电领域的应用。但目前碳纤维在风电中的应用主要集中在国外，国内许多还存在一些技术瓶颈亟待突破。