風(fēng)電葉片設計可分為氣動(dòng)設計和結構設計這兩個(gè)大的階段，其中氣動(dòng)設計要求滿(mǎn)足前兩條目標，結構設計要求滿(mǎn)足后四條目標。通常這兩個(gè)階段不是獨立進(jìn)行的，而是一個(gè)迭代的過(guò)程，葉片厚度必須足夠以保證能夠容納腹板，提高葉片剛度。
        1外形設計
        葉片氣動(dòng)設計主要是外形優(yōu)化設計，這是葉片設計中至關(guān)重要的一步。外形優(yōu)化設計中葉片翼型設計的優(yōu)劣直接決定風(fēng)機的發(fā)電效率，在風(fēng)機運轉條件下，流動(dòng)的雷諾數比較低，葉片通常在低速、高升力系數狀態(tài)下運行，葉片之間流動(dòng)干擾造成流動(dòng)非常復雜。針對葉片外形的復雜流動(dòng)狀態(tài)以及葉片由葉型在不同方位的分布構成，葉片葉型的設計變得非常重要。
        目前葉片葉型的設計技術(shù)通常采用航空上先進(jìn)的飛機機翼翼型設計方法設計葉片葉型的形狀。先進(jìn)的CFD技術(shù)已廣泛應用于不同類(lèi)型氣動(dòng)外形的設計，對于低雷諾數、高升力系數狀態(tài)下風(fēng)機運行條件，采用考慮粘性的N-S控制方程分析葉片葉型的流場(chǎng)是非常必要的。
        在過(guò)去的10多年中，水平軸風(fēng)電葉片翼型通常選擇NACA系列的航空翼型，比如NACA44XX，NA-CA23XX，NACA63XX及NASALS(1)等。這些翼型對前緣粗糙度非常敏感，一旦前緣由于污染變得粗糙，會(huì )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于風(fēng)電葉片后，80年代中期后，風(fēng)電發(fā)達國家開(kāi)始對葉片專(zhuān)用翼型進(jìn)行研究，并成功開(kāi)發(fā)出風(fēng)電葉片專(zhuān)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(yōu)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(shí)具有良好的失速性能且對前緣粗糙度敏感性低;FFA-W系列具有良好的后失速性能。丹麥LM公司已在大型風(fēng)機葉片上采用瑞典FFA-W翼型，風(fēng)機專(zhuān)用翼型將會(huì )在風(fēng)電葉片設計中廣泛應用。表1為對NREL翼型系列性能提高的估算。

        表1NREL翼型系列性能提高的估算
        目前葉片外形的設計理論有好幾種，都是在機翼氣動(dòng)理論基礎上發(fā)展起來(lái)的。第一種外形設計理論是按照貝茨理論得到的簡(jiǎn)化設計方法，該方法是假設風(fēng)力機是按照貝茨公式的最佳條件運行的，完全沒(méi)有考慮渦流損失等，設計出來(lái)的風(fēng)輪效率不超過(guò)40%。
        后來(lái)一些著(zhù)名的氣動(dòng)學(xué)家相繼建立了各自的葉片氣動(dòng)理論。Schmitz理論考慮了葉片周向渦流損失，設計結果相對準確一些。Glauert理論考慮了風(fēng)輪后渦流流動(dòng)，但忽略了葉片翼型阻力和葉稍損失的影響，對葉片外形影響較小,對風(fēng)輪效率影響卻較大。Wilson在Glauert理論基礎上作了改進(jìn)，研究了葉稍損失和升阻比對葉片最佳性能的影響，并且研究了風(fēng)輪在非設計工況下的性能，是目前最常用的設計理論。
        2結構設計
        目前大型風(fēng)電葉片的結構都為蒙皮主梁形式，如圖1所示為典型的葉片構造形式。蒙皮主要由雙軸復合材料層增強，提供氣動(dòng)外形并承擔大部分剪切載荷。后緣空腔較寬，采用夾芯結構，提高其抗失穩能力，這與夾芯結構大量在汽車(chē)上應用類(lèi)似。主梁主要為單向復合材料層增強，是葉片的主要承載結構。腹板為夾芯結構，對主梁起到支撐作用。

        圖1典型葉片剖面構造形式
        結構鋪層校核對葉片結構設計來(lái)說(shuō)也必不可少。前在校核方面，大多用通用商業(yè)有限元軟件，比如ANSYS、NASTRAN、ABAQUS等。對葉片進(jìn)行校核時(shí)，考慮單層的極限強度、自振頻率和葉尖撓度，分析模型有殼模型和梁模型等，并且能夠做到這兩種模型的相互轉換，如圖2，3所示。與其他葉片結構相比，目前大型葉片的中空夾芯結構具有很高的抗屈曲失穩能力，較高的自振頻率，這樣設計出來(lái)的葉片相對較輕。

        圖2全葉片殼模型

        圖3全葉片梁模型
        有限元法可用于設計，但更多用于模擬分析而不是設計，設計與模擬必須交叉進(jìn)行，在每一步設計完成后，必須更新分析模型，重新得到鋪層中的應力和應變數據，再返回設計，更改鋪層方案，再分析應力和變形等，直到滿(mǎn)足設計標準為止，如圖4所示。因為復合材料正交各向異性的特殊性，葉片各鋪層內的應力并不連續，而應變則相對連續，所以葉片結構校核的失效準則有時(shí)候完全采用應變失效準則。

        圖4鋪層設計與校核簡(jiǎn)要流程
        3材料選擇
        風(fēng)電葉片發(fā)展初期，由于葉片較小，有木葉片、布蒙皮葉片、鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片、鋁合金葉片等等，隨著(zhù)葉片向大型化方向發(fā)展，復合材料逐漸取代其他材料幾乎成為大型葉片的唯一可選材料。
        復合材料具有其它單一材料無(wú)法比擬的優(yōu)勢之一就是其可設計性，通過(guò)調整單層的方向，可以獲得該方向上所需要的強度和剛度。更重要的是可利用材料的各向異性，使結構不同變形形式之間發(fā)生耦合。比如由于彎扭耦合，使得結構在只受到彎矩作用時(shí)發(fā)生扭轉。
        在過(guò)去，葉片橫截面耦合效應是一個(gè)讓設計人員頭疼的難題，設計工程想方設法消除耦合現象。但在航空領(lǐng)域人們開(kāi)始利用復合材料的彎扭耦合，拉剪耦合效應，提高機翼的性能。在葉片上，引人彎扭耦合設計概念，控制葉片的氣彈變形，這就是氣彈剪裁。通過(guò)氣彈剪裁，降低葉片的疲勞載荷，并優(yōu)化功率輸出。
        玻璃纖維增強塑料(玻璃鋼)是現代風(fēng)機葉片最普遍采用的復合材料，玻璃鋼以其低廉的價(jià)格，優(yōu)良的性能占據著(zhù)大型風(fēng)機葉片材料的統治地位。但隨著(zhù)葉片逐漸變大，風(fēng)輪直徑已突破120m，最長(cháng)的葉片已做到61.5m，葉片自重達18t。這對材料的強度和剛度提出了更加苛刻的要求。全玻璃鋼葉片已無(wú)法滿(mǎn)足葉片大型化，輕量化的要求。碳纖維或其它高強纖維隨之被應用到葉片局部區域，如NEGMiconNM82.40m長(cháng)葉片，LM61.5m長(cháng)葉片都在高應力區使用了碳纖維。由于葉片增大，剛度逐漸變得重要，已成為新一代MW級葉片設計的關(guān)鍵。
        碳纖維的使用使風(fēng)電葉片剛度得到很大提高，自重卻沒(méi)有增加。Vestas為V903.OMW機型配套的44m系列葉片主梁上使用了碳纖維，葉片自重只有6t，與V802MW，39m葉片自重一樣。美國和歐洲的研究報告指出，含有碳纖維的承載玻璃纖維層壓板對于MW級葉片是一個(gè)非常有效的選擇替代品。在E.C.公司資助的研究計劃[10]中指出，直徑為120m風(fēng)輪葉片部分使用碳纖維可有效減少總體自重達38%，設計成本減少14%。但碳纖維價(jià)格昂貴，極大地限制其在風(fēng)機葉片上的使用。
        現今碳纖維產(chǎn)業(yè)仍以發(fā)展輕質(zhì)、良好結構和熱性質(zhì)佳等附加值大的航空應用材料為主。但許多研究員卻大膽預言碳纖維的應用將會(huì )逐步增加。風(fēng)能的成本效益將取決于碳纖維的使用方式，未來(lái)若要大量取代玻璃纖維，必需低價(jià)才具有競爭力。