大型风电叶片用碳纤维复合材料：中国适用性研究与综合评估（上）

1. 简介

随着工业化进程的不断推进，人类对煤炭、石油等不可再生资源的过度依赖和开发不断加深，对全球性的气候和生态系统造成了影响。为应对能源消费导致的二氧化碳高排放和全球变暖问题，世界各国于 2016 年签署了《巴黎气候协定》，目标将全球平均气温升幅与工业化前水平相比控制在 2℃以内，并努力将温升限制在 1.5℃以内。作为世界上最大的能源消费国，中国在联合国大会上承诺到 2030 年碳排放达到峰值，2060 年实现碳中和。但煤炭和石油在中国目前的能源结构中仍占主导地位，2020 年煤炭消费量占全球煤炭消费量的 55.5%，占全球二氧化碳排放量的 31.8%。2021年9月，由于煤炭价格高企、动力煤短缺、中国火电机组关停容量大等原因，东北地区出现了罕见的严重“限电”现象。低迷的能源结构难以支撑经济的可持续发展。再加上中国正处于推进新型工业化、经济转型和产业升级的“十四五”阶段，直接限制温室气体排放将增加能源成本，对经济产生负面影响。为此，中国新能源法于2020年颁布，刻意强调要推动零碳能源。

风能是改善气候与环境友好性、提升经济竞争力的重要新能源，合理利用风能是解决当今世界能源短缺和全球环境问题的有效途径之一。因此，发展可再生程度高的风能建设，推动风电产业快速发展已成为我国的当务之急。风电叶片是实现风能捕获的主要部件，目前主要采用玻璃纤维复合材料或碳纤维复合材料制成。风电叶片通常在高原、山地、海洋等风资源密集的恶劣环境中运行。近年来，风电叶片重大事故频发，叶片安全问题已成为制约大型叶片发展的关键瓶颈之一。碳纤维复合材料具有强度高、密度低、刚度大等优异特性，应用于大型叶片具有明显的优势。随着中国风电产业的快速发展，碳纤维复合材料在大型风电叶片上的应用已成为必然趋势。

然而，碳纤维复合材料在风电叶片上的应用仍面临诸多问题，主要表现在以下几个方面：首先，由于成本、制造技术等因素，碳纤维复合材料在风电叶片应用中的占比与国际水平还有一定差距；其次，我国独特的风资源地理分布增加了对轻量化大型风电叶片的需求，但使用碳纤维复合材料叶片的经济性和能源效率尚不明确；第三，我国目前碳纤维复合材料的产业框架存在供需不平衡的问题，导致采用碳纤维原材料制造的风电叶片主要依赖进口；第四，碳纤维复合材料叶片的制造技术尚处于探索阶段，关键结构件的制备还不成熟；第五，碳纤维复合材料风电叶片的过量使用，将增加未来回收废旧碳纤维风电叶片的成本，也限制了碳纤维复合材料在我国风电叶片中的应用占比。因此，迫切需要对我国风电行业采用的碳纤维复合材料风电叶片进行全面的经济性和能源效率评估。

风电叶片为混合结构，主要包括蒙皮、翼梁盖、腹板等结构单元，典型叶片剖面结构如图1所示。其中，主翼梁区域组成的翼梁盖和腹板是整个叶片的主要承载结构，负责控制叶片的整体刚度（变形性能）、极限强度（承载性能）和抗剪性能；蒙皮壳体的非承载或次承载结构主要用于形成叶片的气动外形。

图1. 风力涡轮机叶片结构图。

风电叶片轻量化、大型化的发展需求，为碳纤维复合材料在风电叶片中的应用带来了机遇。深圳市谷神产业研究有限公司指出，与玻璃纤维复合材料叶片相比，采用碳纤维复合材料制成的风电叶片具有优异的综合力学性能，但也存在一定的缺点，如表1所示。目前，碳纤维复合材料在风电叶片中应用最关键的部位是主梁区域。与玻璃纤维复合材料的主梁相比，采用碳纤维复合材料制成的主梁可以提高叶片刚度，同时显著减轻叶片质量。但考虑到碳纤维复合材料较高的经济成本，在国内，大多数风电企业仍采用传统的玻璃纤维复合材料制作风电叶片，仅有南通中泰、中复联众、中材科技等少数风电企业在主梁区域采用碳纤维复合材料。其原因主要有以下两点。一方面，碳纤维复合材料相较于玻璃纤维复合材料的成本较高；另一方面，用碳纤维复合材料制造超大型叶片的技术还不够成熟，制造工艺和安装后的维护也存在问题。

中国气象局估计，中国平均风能密度为100W/m2，总风能储量约1.6×105MW。东南沿海及其周边岛屿、内蒙古、甘肃走廊、东北、西北、华北和青藏高原等地区年均风速超过3米/秒的有近4000小时，其中部分地区年平均风速可达6～7米/秒以上，中国在开发利用风能方面很有前景。另外，中国拥有2万公里长的海岸线，具备建设大型沿海或海上风电场的条件。中国风能密度分布如图2所示。根据风能密度和风速，中国主要风资源的地理分布可分为四个区域：东南沿海及其岛屿；内蒙古及甘肃北部，黑龙江、吉林东部及辽东半岛海域，青藏高原北部：三北地区（东北、华北北部和西北地区）及沿海。

图2. 中国风能资源地理分布

中国最大的风能资源区是东南沿海及其岛屿，有效风能密度大于或等于200 W/m2的等值线与海岸线平行，沿海岛屿风能密度在300 W/m 2以上，有效风速出现时间百分比达80%~90%，每年约有7000~8000小时出现8 m/s 以上的风速，6 m/s 以上的风速也有4000小时左右。此外，该地区海上风能比陆上风能更均匀、更可利用。内蒙古、甘肃北部、新疆北部地区常年受西风带控制，风能密度多为200~300 W/m 2，有效风时间百分比约为70%，每年风速大于或等于3 m/s的次数在5 000小时以上，风速大于或等于6 m/s的次数在2 000小时以上；东北三省（黑龙江、吉林东部、辽东半岛沿海）风能密度均在200 W/m 2以上，风速大于或等于3 m/s的年累计次数为5 000~7 000小时，6 m/s的年累计次数为3 000小时。风速大于等于3米/秒的年累计时间约为4000～5000小时，风速大于等于6米/秒的年累计时间超过3000小时，这四个地区风能资源十分丰富，目前已建成多座风电场，风电产业发展前景广阔。

上述四个典型风资源聚集区中，最具代表性的风电场为广东南澳海上风电场、内蒙古辉腾锡勒风电场、吉林白城风电场、青藏高原茫崖风电场。这些代表性风电场一年内有效风能密度及风速超过6m/s的时间分布如图3所示。

图3 各地区典型风电场风资源分布。

其中，位于台湾海峡喇叭口西南端的南澳风电场，风资源尤为丰富，年平均风速大于或等于6米/秒的年累计时间约有4000小时，该风电场近海区域已安装约6MW风电机组，该风电场沿海区域有效风能密度达1101W/m 2，风况属世界最佳。

内蒙古乌兰察布市有效风电场面积6828平方公里技术，可开发容量68000MW，其中位于内蒙古高原的乌兰察布市辉腾锡勒风电场已安装约4.5MW风电机组，风速大于等于6m/s的年发生次数超过2000小时，有效风能密度为662W/m 2。

吉林省白城市可开发风能面积6865平方公里，装机容量2280万千瓦，该市向阳风电场已安装3.3兆瓦风电机组。据气象专家介绍，白城市风电年总发电量20.76万千瓦时，风速大于或等于6米/秒的年累计时间约3000小时，有效风能密度348瓦/平米。

青藏高原风能密度较低，但这并没有阻碍中国风电企业的发展。青藏高原茫崖风电场每年累计风速大于或等于6m/s的年累计时间约为3000h，有效风能密度为284W/m2，安装2.5MW风电机组。在金山与青藏高原交界处，平均海拔3000m，中国株洲车辆公司的1.5WM型风电机组已并网发电。这四个风电场地理位置差异很大，风能条件也各有不同，是中国最具代表性的风电场。

中国风能资源独特的地理分布特征，为风能的综合开发利用积累了有利条件。风电行业的快速增长逐步带动了叶片的大型化发展，但不同地理分布区域的风能参数与大型叶片效益之间的关系尚不明确，因此需要进一步分析碳纤维在风电叶片中应用所带来的重量、碳足迹、内涵能量和成本的变化。

4.1. 能源效率与经济性分析与评价

根据我国风资源地理分布特点，依据能源效率与经济性模型对不同风资源区的典型代表风电场进行分析，各区域典型风电场相关的风资源特性及对应的风电机组参数如表2所示。此外，为评估采用碳纤维复合材料对大型叶片盈利能力的影响，在模型计算的基准叶片长度基础上，分别将叶片尺寸增加20m和40m，进行了能源效率与经济性的对比分析与评估。

图4为计算得到的4个典型代表风电场的风频率图，可以看出，青藏高原的茫崖风电场和吉林省白城风电场的风速大部分时间都较小，小于10m/s；而内蒙古辉腾锡勒风电场和广东南澳风电场的风速在一年中大于10m/s的时间较多，说明这两个风电场的风资源较为丰富。

图4. 不同区域风电场风频率图。

根据风频图可计算出茫崖风电场、白城风电场、辉腾锡勒风电场、南澳风电场的有效风能小时数分别为7703h、7776h、7972h、8088h。同时计算出不同风资源区典型风电场不同叶片长度的能效比，如图5所示。

图5 不同地区增加叶片长度后能源效率对比：（a）广东南澳；（b）内蒙古辉腾锡勒；（c）吉林白城；（d）青藏高原芒牙。注：南澳、辉腾锡勒、白城、青藏高原上网电价分别为0.75元（0.116美元）、0.29元（0.045美元）、0.38元（0.059美元）、0.47元（0.073美元）。

以南澳海上风电场6MW风机为例，如果将40m长的叶片换成80m长的叶片，每台风机的年发电量将增加100%。而且，由于在不增加叶片长度的情况下，基数年发电量较高，因此增加叶片长度后的年发电增益更高。同时，由于国家对海上风电项目的支持，海上风电的上网电价很高，理论上每台风机年可增加184万美元收益。另外，南澳风电场靠近海岸，海域条件恶劣，风机叶片中采用高强度、耐腐蚀的碳纤维复合材料可延长其使用寿命，因此非常适合在该地区安装大型碳纤维复合材料叶片。

辉腾锡勒风电场4.5MW风机，叶片长度增加40m后，年发电量增加87%，年基础发电量也较高，但由于该地区上网电价较低，虽然发电量较高，但收益并不是特别高。

吉林省白城市向阳风电场，叶片长度增加40m后，年发电量增加82%，但由于平均风速低，且受单机容量小的影响，年基本发电量较低，因此前两个风电场增加叶片长度后发电量相对较低，但不同风资源区上网电价不同，虽然发电量远低于辉腾锡勒风电场，但收益相差不大。

对于青藏高原的茫崖风电场，叶片长度增加40m，风电机组单机发电量可增加89%。同样，由于平均风速低、海拔高、单机容量小等因素的影响，单机年发电量比其他风电场要低得多。但是由于有上网电价的支持，收益也很可观。但是该地区海拔过高，导致大型风电叶片的运输和安装成本很高，发电量较低。因此，大型风电叶片在茫崖风电场的适用性可能并不理想。

综上所述，在不同地区可以发现，风力发电机叶片越长，在相同额定功率下，年发电量越高，收益越可观。叶片越长，在风力发电机相同功率下，额定风速越低，则在低风速下可获得更高的功率，增加总发电量。但叶片越长，制造工艺越复杂，而且运输时需要的转弯半径越大，对道路宽度和海上运输船只的要求越高，增加运输成本。另外，随着叶片长度的增加，玻纤叶片的质量会大幅增加。因此，采用碳纤维复合材料制造大型风力发电机叶片，减轻其质量，提高其强度和使用寿命，具有重要的经济意义和应用价值。

目前，我国在碳纤维复合材料制造大型风电叶片方面，经济性和能源效率的权衡还不够明确，因此，国内采用碳纤维复合材料制造大型风电叶片的企业相对较少。下面以我国不同地区的四个典型风电场为例，从叶片规模、材料选择等方面进行经济性分析。经济性和能源效率对比结果如图6所示。

图6 碳纤维叶片与传统玻璃纤维叶片经济性对比 注：仅考虑材料采购成本，未考虑碳纤维复合材料的加工难度、运输、储存、进口税率等成本，仅考虑风电叶片中心部位的材料质量。

当叶片主梁部分采用环氧/HS、其余部分为玻纤复合材料时，叶片成本最高，约为传统玻纤叶片的80%，但碳足迹和体现性能最低，质量降至传统玻纤叶片的35%左右。当主梁部分采用PEEK/IM碳纤维复合材料、其余部分为玻纤复合材料时，叶片质量最高，但成本、碳足迹和体现性能相对较低，与传统纯玻纤复合材料叶片相比，质量和成本分别降低约60%和20%。但随着叶片长度的增加，这种降低的比例越来越少，例如，当叶片增加40m时，质量和成本的降低比例都只下降3%。当主翼梁采用碳纤维复合材料，其余部分采用玻璃纤维复合材料时，与传统纯玻璃纤维复合材料叶片相比，碳足迹和隐含能量增加60%~80%。但同样，随着叶片长度的增加，这种增加的比例越来越少。例如，当叶片长度增加40 m时，碳足迹和隐含能量增加的比例减少了2%~5%。

全环氧/HS碳纤维复合材料叶片成本最低，仅为普通玻纤叶片的34%，但碳足迹和性能体现最高，分别提升了92%和67%。全叶片采用PEEK/IM碳纤维复合材料时，叶片质量最低，仅为传统纯玻纤复合材料叶片的24%左右，但在降低成本、碳足迹、体现性能方面的优势相对不足。

综上所述，与传统玻璃纤维复合材料风电叶片相比，碳纤维复合材料风电叶片可以大幅降低质量和材料成本，但体现能源和碳足迹却有所增加。虽然单片叶片的碳足迹和体现能源大幅增加，但高强度、低质量、耐腐蚀的碳纤维风电叶片可以通过增加使用寿命、延长运行时间、减少维护等方式带来更高的经济收益。而且，虽然不同地区的风资源情况存在差异，但计算结果不受环境影响。这表明，在我国不同风资源区使用碳纤维复合材料风电叶片的经济性基本相同。这将为我国碳纤维复合材料风电叶片的全面推广提供一定的参考。