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（下）

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。

近年来，随着中国碳纤维生产行业的成功发展，碳纤维复合材料在风电叶片中的应用越来越受到中国企业的重视。2020年是中国碳纤维行业市场增长强劲的一年，几乎所有碳纤维制造商都有卖方市场，多家中国碳纤维公司实现了盈利增长。截至2021年7月14日，经营范围包含“碳纤维”的中国企业共有5380家。其中，2020年注册的碳纤维生产企业有1032家，是2019年的2.5倍。尽管如此，2021年仅半年注册的数量就超过了2020年的注册数量。这表明中国碳纤维行业在过去两年中经历了爆发式增长。

图7a是2020年中国碳纤维原丝及碳纤维的运营产能为36150t，其中销售18450t，销售占产能比为51%。从设计达标率来看，中国正在跨越设计达标率较低的历史阶段，水平正在接近国际水平。随着中国在碳纤维领域的投入不断加大，中国碳纤维产量占世界的份额也将继续提升。目前中国大陆的碳纤维产能占全球的17%，中国大陆和台湾的产能占全球的6%，两者之和已经超过日本。甚至可以合理推测，3-5年后全球产能排名将发生剧烈变化，中国有望成为全球最大的碳纤维生产国。

图7. 中国碳纤维产量和需求。( a ) 2020年中国CF前驱体和CF运营产能（按制造商划分）；( b ) 中国对碳纤维的需求。

据广州阿塔碳纤维科技股份有限公司（中国广州）统计，尽管受到新冠疫情的影响，2020年中国碳纤维总需求量为48,851吨，较2019年增长29%，如图7b所示。进口占总需求的62%，比2019年增长17.5%。中国生产的碳纤维供应量为18,450吨，比2019年增长53.8%，连续三年呈现30%以上的快速增长。预计到2025年，中国国内碳纤维产量将超过进口，这充分显示了中国碳纤维行业的活力。

随着中国国内碳纤维生产能力的不断提升，越来越多的中国企业将碳纤维复合材料应用于风电叶片的制造。2020年中国风电叶片行业对碳纤维的需求量占碳纤维总需求量的40.9%，远超其他行业，如图8所示。另外，在中国，虽然碳纤维在航空航天和汽车领域的应用占比与世界其他地区相比相对较小，但在风电叶片和体育休闲等领域的应用却有显著增长，显示出碳纤维复合材料风电叶片在中国具有良好的应用前景。因此，开发高性能、低成本的碳纤维复合材料及其应用技术仍是中国相关科研机构和生产企业的重点工作。

图8. 2020年中国与全球碳纤维应用情况对比。

中国风电叶片制造技术的发展可以简单概括为三个阶段，如图9所示。

图 9. 风力涡轮机叶片制造技术的主要阶段。（a）第 1 阶段：手工糊制；（b）第 2 阶段：真空灌注工艺；（c）第 3 阶段：拉挤工艺。

第一阶段，传统玻璃纤维复合材料叶片采用手糊成型工艺制造，但生产效率低，产品质量和性能稳定性难以控制，而且由于玻璃纤维性能相较碳纤维有限，导致产品力学性能较低，不适用于制造大型叶片。第二阶段，预浸料真空袋压成型和织物真空辅助树脂灌注工艺逐渐被大多数企业采用制造传统玻璃纤维复合材料风电叶片，但这两种工艺效率低、成本高。如果采用这样的材料和方法，制造长度超过40m的风电叶片，用碳纤维替代传统玻璃纤维才是可以接受的。目前，叶片尺寸向大型化发展，因此一些企业开始尝试使用小丝束碳纤维制造叶片主梁，虽然性能要好很多，但成本仍然较高。此外主梁中往往存在较大的孔隙率和碳纤维含量较低的问题，严重限制了碳纤维在风电叶片中的应用。直到2015年以后，丹麦Vestas公司成功将拉挤工艺应用到碳纤维复合材料风电叶片主梁上，才使得碳纤维复合材料风电叶片的使用成为可能。

目前，我国在碳纤维复合材料风电叶片制造技术方面仍与世界存在差距，但我国正在借鉴维斯塔斯的经验，根据国产碳纤维的性能特点，自主研发碳纤维翼梁新技术，进一步提高大型碳纤维复合材料叶片的制造效率和质量，对后续大型、高强度、低成本碳纤维复合材料叶片的研发和应用将起到关键性的推动作用。

2020年底，中国提出“碳达峰”和“碳中和”目标，要求减少碳排放，增加清洁能源占比。但中国城镇化仍在进行中，工业化尚未完成，能源消费结构仍以煤炭、石油为主，在促进发展的同时，需要快速实现减排，因此国家也相应出台了一系列战略举措。在新能源战略下，中国风电产业发展迅速，产业升级加快，逐步拉动风电叶片轻量化结构需求，同时刺激多项功能需求，对风电叶片行业影响深远。

如上所述，国内越来越多的企业开始关注碳纤维风电叶片的发展，但国内碳纤维生产和应用技术仍需加强。为推动碳纤维产业发展，中国政府出台了多项激励政策，如表3所示。未来在这些政策的支持下，碳纤维在风电叶片中的应用技术将继续快速发展。但也出现了一些挑战：（一）国内只追求风电产业的快速发展，自主创新能力不足，生产碳纤维风电叶片的高精度设备和核心技术需进口。（二）随着大型碳纤维复合材料叶片的发展，发电量急剧增加，但电网消纳能力不足、风电发电不稳定、调度不匹配等原因，造成全国电网与风电发展不匹配，出现弃风现象。（三）由于电价制定体系不完善，风电发电电价低，前期投资高，回报周期长，导致很多风电产业资金不足，进而扰乱了我国大型碳纤维复合材料风力发电机叶片的开发步伐。表明我国风电产业的挑战依然存在。针对上述问题，我国已进一步出台了相应的应对措施，如图10所示，并已取得初步成效。

表3. 政府对碳纤维产业发展的激励措施。

中国风能资源丰富，有利于发展风电产业。随着叶片大型化发展，传统的玻璃纤维复合材料叶片难以满足实际需要。碳纤维复合材料风电叶片将是未来的必然趋势。目前，中国一些企业已经开始在风电叶片主梁区域使用碳纤维复合材料。

根据风能密度，中国中部风资源分布在以下四个区域：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；三北地区及沿海。由于国家对不同风能资源地区给予的上网电价及补贴不同，通过数学模型计算发现，不同风能资源地区采用碳纤维制成大型风力发电机叶片的经济收益差别并不大，说明在我国不同风能资源区采用碳纤维复合材料制成风力发电机叶片都是可行的。

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大幅降低质量和材料成本，但体现能源和碳足迹增加。本研究通过数学模型对体现能源、碳足迹、成本、收益进行综合分析，建议我国叶片主翼梁采用碳纤维复合材料制作，其余部位采用玻璃纤维复合材料制作。

在国内，目前碳纤维行业正经历爆发式增长，随着“碳达峰、碳中和”战略的实施，国家正逐步出台多项激励政策，大力发展零碳能源建设，推动碳纤维复合材料在风电叶片领域的应用。

在我国碳纤维复合材料风电叶片制造技术方面，目前还存在主梁区域孔隙率高、纤维含量低等问题，严重限制了碳纤维在风电叶片中的应用，加快发展碳纤维复合材料拉挤工艺将是未来我国风电叶片制造技术的发展趋势。

来源：

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).