當(dāng)葉片主梁部分采用環(huán)氧/HS、其余部分為玻纖復(fù)合材料時，葉片成本最高，約為傳統(tǒng)玻纖葉片的80%，但碳足跡和體現(xiàn)性能最低，質(zhì)量降至傳統(tǒng)玻纖葉片的35%左右。當(dāng)主梁部分采用PEEK/IM碳纖維復(fù)合材料、其余部分為玻纖復(fù)合材料時，葉片質(zhì)量最高，但成本、碳足跡和體現(xiàn)性能相對較低，與傳統(tǒng)純玻纖復(fù)合材料葉片相比，質(zhì)量和成本分別降低約60%和20%。但隨著葉片長度的增加，這種降低的比例越來越少，例如，當(dāng)葉片增加40m時，質(zhì)量和成本的降低比例都只下降3%。當(dāng)主翼梁采用碳纖維復(fù)合材料，其余部分采用玻璃纖維復(fù)合材料時，與傳統(tǒng)純玻璃纖維復(fù)合材料葉片相比，碳足跡和隱含能量增加60%~80%。但同樣，隨著葉片長度的增加，這種增加的比例越來越少。例如，當(dāng)葉片長度增加40 m時，碳足跡和隱含能量增加的比例減少了2%~5%。

全環(huán)氧/HS碳纖維復(fù)合材料葉片成本最低，僅為普通玻纖葉片的34%，但碳足跡和性能體現(xiàn)最高，分別提升了92%和67%。全葉片采用PEEK/IM碳纖維復(fù)合材料時，葉片質(zhì)量最低，僅為傳統(tǒng)純玻纖復(fù)合材料葉片的24%左右，但在降低成本、碳足跡、體現(xiàn)性能方面的優(yōu)勢相對不足。

綜上所述，與傳統(tǒng)玻璃纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片相比，碳纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片可以大幅降低質(zhì)量和材料成本，但體現(xiàn)能源和碳足跡卻有所增加。雖然單片葉片的碳足跡和體現(xiàn)能源大幅增加，但高強(qiáng)度、低質(zhì)量、耐腐蝕的碳纖維風(fēng)電葉片可以通過增加使用壽命、延長運(yùn)行時間、減少維護(hù)等方式帶來更高的經(jīng)濟(jì)收益。而且，雖然不同地區(qū)的風(fēng)資源情況存在差異，但計算結(jié)果不受環(huán)境影響。這表明，在我國不同風(fēng)資源區(qū)使用碳纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片的經(jīng)濟(jì)性基本相同。這將為我國碳纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片的全面推廣提供一定的參考。

近年來，隨著中國碳纖維生產(chǎn)行業(yè)的成功發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用越來越受到中國企業(yè)的重視。2020年是中國碳纖維行業(yè)市場增長強(qiáng)勁的一年，幾乎所有碳纖維制造商都有賣方市場，多家中國碳纖維公司實(shí)現(xiàn)了盈利增長。截至2021年7月14日，經(jīng)營范圍包含“碳纖維”的中國企業(yè)共有5380家。其中，2020年注冊的碳纖維生產(chǎn)企業(yè)有1032家，是2019年的2.5倍。盡管如此，2021年僅半年注冊的數(shù)量就超過了2020年的注冊數(shù)量。這表明中國碳纖維行業(yè)在過去兩年中經(jīng)歷了爆發(fā)式增長。

圖7a是2020年中國碳纖維原絲及碳纖維的運(yùn)營產(chǎn)能為36150t，其中銷售18450t，銷售占產(chǎn)能比為51%。從設(shè)計達(dá)標(biāo)率來看，中國正在跨越設(shè)計達(dá)標(biāo)率較低的歷史階段，水平正在接近國際水平。隨著中國在碳纖維領(lǐng)域的投入不斷加大，中國碳纖維產(chǎn)量占世界的份額也將繼續(xù)提升。目前中國大陸的碳纖維產(chǎn)能占全球的17%，中國大陸和臺灣的產(chǎn)能占全球的6%，兩者之和已經(jīng)超過日本。甚至可以合理推測，3-5年后全球產(chǎn)能排名將發(fā)生劇烈變化，中國有望成為全球最大的碳纖維生產(chǎn)國。

圖7. 中國碳纖維產(chǎn)量和需求。( a ) 2020年中國CF前驅(qū)體和CF運(yùn)營產(chǎn)能（按制造商劃分）；( b ) 中國對碳纖維的需求。

據(jù)廣州阿塔碳纖維科技股份有限公司（中國廣州）統(tǒng)計，盡管受到新冠疫情的影響，2020年中國碳纖維總需求量為48,851噸，較2019年增長29%，如圖7b所示。進(jìn)口占總需求的62%，比2019年增長17.5%。中國生產(chǎn)的碳纖維供應(yīng)量為18,450噸，比2019年增長53.8%，連續(xù)三年呈現(xiàn)30%以上的快速增長。預(yù)計到2025年，中國國內(nèi)碳纖維產(chǎn)量將超過進(jìn)口，這充分顯示了中國碳纖維行業(yè)的活力。

隨著中國國內(nèi)碳纖維生產(chǎn)能力的不斷提升，越來越多的中國企業(yè)將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于風(fēng)電葉片的制造。2020年中國風(fēng)電葉片行業(yè)對碳纖維的需求量占碳纖維總需求量的40.9%，遠(yuǎn)超其他行業(yè)，如圖8所示。另外，在中國，雖然碳纖維在航空航天和汽車領(lǐng)域的應(yīng)用占比與世界其他地區(qū)相比相對較小，但在風(fēng)電葉片和體育休閑等領(lǐng)域的應(yīng)用卻有顯著增長，顯示出碳纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片在中國具有良好的應(yīng)用前景。因此，開發(fā)高性能、低成本的碳纖維復(fù)合材料及其應(yīng)用技術(shù)仍是中國相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)的重點(diǎn)工作。

圖8. 2020年中國與全球碳纖維應(yīng)用情況對比。

中國風(fēng)電葉片制造技術(shù)的發(fā)展可以簡單概括為三個階段，如圖9所示。

圖 9. 風(fēng)力渦輪機(jī)葉片制造技術(shù)的主要階段。（a）第 1 階段：手工糊制；（b）第 2 階段：真空灌注工藝；（c）第 3 階段：拉擠工藝。

第一階段，傳統(tǒng)玻璃纖維復(fù)合材料葉片采用手糊成型工藝制造，但生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品質(zhì)量和性能穩(wěn)定性難以控制，而且由于玻璃纖維性能相較碳纖維有限，導(dǎo)致產(chǎn)品力學(xué)性能較低，不適用于制造大型葉片。第二階段，預(yù)浸料真空袋壓成型和織物真空輔助樹脂灌注工藝逐漸被大多數(shù)企業(yè)采用制造傳統(tǒng)玻璃纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片，但這兩種工藝效率低、成本高。如果采用這樣的材料和方法，制造長度超過40m的風(fēng)電葉片，用碳纖維替代傳統(tǒng)玻璃纖維才是可以接受的。目前，葉片尺寸向大型化發(fā)展，因此一些企業(yè)開始嘗試使用小絲束碳纖維制造葉片主梁，雖然性能要好很多，但成本仍然較高。此外主梁中往往存在較大的孔隙率和碳纖維含量較低的問題，嚴(yán)重限制了碳纖維在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用。直到2015年以后，丹麥Vestas公司成功將拉擠工藝應(yīng)用到碳纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片主梁上，才使得碳纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片的使用成為可能。

目前，我國在碳纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片制造技術(shù)方面仍與世界存在差距，但我國正在借鑒維斯塔斯的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)國產(chǎn)碳纖維的性能特點(diǎn)，自主研發(fā)碳纖維翼梁新技術(shù)，進(jìn)一步提高大型碳纖維復(fù)合材料葉片的制造效率和質(zhì)量，對后續(xù)大型、高強(qiáng)度、低成本碳纖維復(fù)合材料葉片的研發(fā)和應(yīng)用將起到關(guān)鍵性的推動作用。

2020年底，中國提出“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)，要求減少碳排放，增加清潔能源占比。但中國城鎮(zhèn)化仍在進(jìn)行中，工業(yè)化尚未完成，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)仍以煤炭、石油為主，在促進(jìn)發(fā)展的同時，需要快速實(shí)現(xiàn)減排，因此國家也相應(yīng)出臺了一系列戰(zhàn)略舉措。在新能源戰(zhàn)略下，中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)業(yè)升級加快，逐步拉動風(fēng)電葉片輕量化結(jié)構(gòu)需求，同時刺激多項(xiàng)功能需求，對風(fēng)電葉片行業(yè)影響深遠(yuǎn)。

如上所述，國內(nèi)越來越多的企業(yè)開始關(guān)注碳纖維風(fēng)電葉片的發(fā)展，但國內(nèi)碳纖維生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)仍需加強(qiáng)。為推動碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展，中國政府出臺了多項(xiàng)激勵政策，如表3所示。未來在這些政策的支持下，碳纖維在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用技術(shù)將繼續(xù)快速發(fā)展。但也出現(xiàn)了一些挑戰(zhàn)：（一）國內(nèi)只追求風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，自主創(chuàng)新能力不足，生產(chǎn)碳纖維風(fēng)電葉片的高精度設(shè)備和核心技術(shù)需進(jìn)口。（二）隨著大型碳纖維復(fù)合材料葉片的發(fā)展，發(fā)電量急劇增加，但電網(wǎng)消納能力不足、風(fēng)電發(fā)電不穩(wěn)定、調(diào)度不匹配等原因，造成全國電網(wǎng)與風(fēng)電發(fā)展不匹配，出現(xiàn)棄風(fēng)現(xiàn)象。（三）由于電價制定體系不完善，風(fēng)電發(fā)電電價低，前期投資高，回報周期長，導(dǎo)致很多風(fēng)電產(chǎn)業(yè)資金不足，進(jìn)而擾亂了我國大型碳纖維復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的開發(fā)步伐。表明我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的挑戰(zhàn)依然存在。針對上述問題，我國已進(jìn)一步出臺了相應(yīng)的應(yīng)對措施，如圖10所示，并已取得初步成效。

表3. 政府對碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的激勵措施。

中國風(fēng)能資源豐富，有利于發(fā)展風(fēng)電產(chǎn)業(yè)。隨著葉片大型化發(fā)展，傳統(tǒng)的玻璃纖維復(fù)合材料葉片難以滿足實(shí)際需要。碳纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片將是未來的必然趨勢。目前，中國一些企業(yè)已經(jīng)開始在風(fēng)電葉片主梁區(qū)域使用碳纖維復(fù)合材料。

根據(jù)風(fēng)能密度，中國中部風(fēng)資源分布在以下四個區(qū)域：東南沿海及其島嶼；內(nèi)蒙古及甘肅北部；黑龍江、吉林東部及遼東半島海域；青藏高原北部；三北地區(qū)及沿海。由于國家對不同風(fēng)能資源地區(qū)給予的上網(wǎng)電價及補(bǔ)貼不同，通過數(shù)學(xué)模型計算發(fā)現(xiàn)，不同風(fēng)能資源地區(qū)采用碳纖維制成大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的經(jīng)濟(jì)收益差別并不大，說明在我國不同風(fēng)能資源區(qū)采用碳纖維復(fù)合材料制成風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片都是可行的。

與傳統(tǒng)玻璃纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片相比，碳纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片可大幅降低質(zhì)量和材料成本，但體現(xiàn)能源和碳足跡增加。本研究通過數(shù)學(xué)模型對體現(xiàn)能源、碳足跡、成本、收益進(jìn)行綜合分析，建議我國葉片主翼梁采用碳纖維復(fù)合材料制作，其余部位采用玻璃纖維復(fù)合材料制作。

在國內(nèi)，目前碳纖維行業(yè)正經(jīng)歷爆發(fā)式增長，隨著“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略的實(shí)施，國家正逐步出臺多項(xiàng)激勵政策，大力發(fā)展零碳能源建設(shè)，推動碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)電葉片領(lǐng)域的應(yīng)用。

在我國碳纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片制造技術(shù)方面，目前還存在主梁區(qū)域孔隙率高、纖維含量低等問題，嚴(yán)重限制了碳纖維在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用，加快發(fā)展碳纖維復(fù)合材料拉擠工藝將是未來我國風(fēng)電葉片制造技術(shù)的發(fā)展趨勢。

來源：

1.Hanwei Teng,Shujian Li,Zheng Cao,Shuang Li，Changping Li, andTae Jo Ko.Carbon Fiber Composites for Large-Scale Wind Turbine Blades: Applicability Study and Comprehensive Evaluation in China, J. Mar. Sci. Eng. 2023

2.Liu, P.F.; Chen, H.Y.; Wu, T.; Liu, J.W.; Leng, J.X.; Wang, C.Z.; Jiao, L. Fatigue Life Evaluation of Offshore Composite Wind Turbine Blades at Zhoushan Islands of China Using Wind Site Data. Appl. Compos. Mater. 2023.

3.Industrial WindAction Group. Wind Turbine Failures Becoming More Frequent. 2023. Available online: https://www.windaction.org/posts/54462 (accessed on 7 February 2023).