复合材料终端市场：能源（2025年）

复合材料长期以来一直用于与能源相关的结构应用，如风力涡轮机叶片和石油和天然气开采中的各种部件。复合材料的新材料和创新也有助于为下一代能源提供动力，包括海上风能、工业太阳能农场和基于卫星的太阳能电池阵列、河流和海洋能源系统，以及绿色氢运输管道。

国际能源署（IEA，法国巴黎）在其2025年3月发布的最新《全球能源评论》中指出，2024年全球能源需求将增长2.2%（几乎是过去十年平均水平的两倍），主要原因是制冷、工业、交通电气化以及人工智能数据中心的增长对电力的需求增加。

尽管IEA报告称全球范围内所有燃料和技术（可再生能源、石油、天然气、煤炭、核能）的需求都有所增长，但2024年全球发电量增长的80%来自可再生能源和核能，这是清洁能源首次占总发电量的40%。

许多能源和发电技术都是通过复合材料以各种方式实现的，本文中提及的虽然并不全面，但也总结了部分能源领域中复合材料的前景和最新技术应用。

一、风能市场和复合材料创新

风力涡轮机领域是复合材料的核心应用场景，每个叶片均大量使用玻璃纤维，而用于加固翼梁帽的碳纤维用量也呈增长趋势，部分风力涡轮机的机舱结构同样采用复合材料制造。

根据全球风能理事会（GWEC）今年 4 月发布的《2025 年全球风能报告》，2024 年全球新增风电装机容量达 117 吉瓦（GW），与创纪录的 2023 年基本持平。尽管风电行业面临利率上升、通货膨胀、供应链压力、贸易壁垒及政治不确定性等多重挑战，仍实现了显著发展。

从区域格局看，2024 年中国在全球风电装机容量中位居首位，紧随其后的是美国、德国、印度和巴西。报告显示，北美、拉丁美洲和欧洲的新增装机量较 2023 年有所下降，但亚太地区同比增长7%，以埃及和沙特阿拉伯为代表的非洲及中东地区增幅高达 107%，展现出 “创纪录的增长”态势。

根据路透社2024年7月的报道中指出，全球十大风力涡轮机制造商中，中国企业占据六席（金风科技、远景能源、温德利、明阳、三一和东方电气），其生产的涡轮机主要供应国内市场，同时正逐步拓展欧洲等海外市场。其他上榜企业包括欧洲的维斯塔斯（Vestas）、西门子歌美飒（Siemens Gamesa）、Nordex，以及美国的通用电气 Vernova。

印度 Stratview Research 公司在 2024 年 11 月的行业研讨会上提到，风电叶片翼梁帽目前是印度碳纤维复合材料的最大应用领域，且需求持续攀升，预计到 2030 年将实现一倍以上的增长。

GWEC 预测，未来风电行业的复合平均增长率（CAGR）为 8.8%，这意味着到 2030 年全球装机容量将新增981吉瓦。但GWEC主席乔纳森・科尔（Jonathan Cole）强调：“我们的发展速度仍显不足 —— 若要实现 2030 年装机容量翻三倍的关键目标（以推动全球脱碳进程），风能装机率需持续增长，而非保持稳定或下降。我们必须继续努力，加快推进步伐。”

风力涡轮机技术的研究与创新

为支撑行业增长，风力涡轮机叶片技术领域正开展诸多创新，涵盖制造方法优化、材料革新及更高效高容量的设计研发。

叶片长度直接影响风能捕获量。尽管近年受供应链和财务因素制约出现 “停滞”，但全球风电原始设备制造商持续推出大容量陆上及海上风力涡轮机，配套叶片亦不断加长。

全球风能理事会（GWEC）数据显示，中国市场规模扩张尤为迅猛。截至2024年底，已有 6 家中国原始设备制造商推出20兆瓦以上海上风力涡轮机。其中，东方电气（广东）于2024 年11月宣布完成首台 26 兆瓦海上风力涡轮机生产，这是目前全球已建成的最大型海上风力涡轮机。该机型在10米/秒风速下，单台年清洁发电量可达1亿千瓦时，能满足 5.5 万户家庭的年度用电需求。

广东明阳智能能源有限公司计划于 2024 年8月在中国海南安装首台18-20兆瓦海上风力涡轮机 MySE18.X-20MW，该平台预计年发电量达 8000 万千瓦时。公司透露，目前正研发更大的22兆瓦涡轮机。丹阳市恒神股份有限公司已成为明阳超大型海上风力涡轮机平台 MySE292 的143米长叶片独家碳纤维织物供应商。

为与中国竞争，西班牙萨穆迪奥的西门子歌美飒已在丹麦安装一台21兆瓦海上涡轮机原型机。与此同时，GWEC数据显示，丹麦奥胡斯的维斯塔斯 V236-15.0MW 型号全球确认订单已超6吉瓦。

陆上涡轮机也在向大型化发展，叶片长度不断增加。例如，中国风电叶片制造商三一新能源（北京）宣布 2024年将推出 131 米长的 SY1310A 风电叶片。消息称，这些叶片将用于该公司10兆瓦陆上涡轮机，后续可能适配其已公布的15兆瓦涡轮机 —— 据称这将是迄今开发的最大陆上涡轮机。

据悉，这些叶片采用玻璃纤维预绗缝技术、碳纤维复合材料翼梁帽、大型复合材料叶片长距离自动灌注技术及叶片后缘盲胶嵌件3D设计制造，并使用聚氨酯结构件以提升可回收性。GWEC 还提及，德国汉堡的 Nordex、丹麦奥胡斯的Vestas及德国奥里希的Enercon，过去几年在陆上机型方面均有新型升级动作。

风电技术中生物基材料的应用示范

为替代众多应用（包括风能技术）中传统的化石燃料基材料，多种源自植物或其他天然来源的聚合物和纤维已被开发出来。例如，NREL 已发表了关于开发一种被其称为 “生物质衍生” 树脂的研究，该树脂昵称 “聚酯共价适应性网络”（PECAN），专门用于风电叶片制造。PECAN 据称为糖基来源，可通过化学工艺回收，且性能已被证明与行业标准树脂相当。研究人员通过制造 9 米长的原型叶片测试了该树脂的可制造性。在欧盟，EOLIAN 是一个为期 3.5 年的多合作伙伴项目，于 2024 年 6 月启动，目标是开发新一代智能、可持续的风机叶片，具有更长的使用寿命、更高的可靠性和可持续性。EOLIAN 叶片预计可修复、可回收，并集成传感器以实现结构健康监测（SHM），包括将可回收的 vitrimer 树脂与天然玄武岩纤维结合，替代玻璃纤维。

替代风能系统

值得一提的是，除了传统涡轮机外，其他基于风能的能源系统也在开发中，包括所谓的空中风能（AWE）系统。这些系统使用系留在地面站的风筝或无人机，以螺旋或 “8” 字形轨迹运动，捕捉高空风能。爱尔兰戈尔韦的复合材料技术实验室（CTL）是参与这一领域研究的公司之一，其开展的 “爱尔兰空中风能风筝”（HAWK）项目由爱尔兰可持续能源管理局（SEAI）资助。在 HAWK 项目中，CTL 及其合作伙伴正致力于解决 AWE 开发和认证中的挑战，包括材料、产品安全 / 法规、技术可行性以及开发有效的供应链。

二、太阳能应用中的复合材料技术进展与多元场景实践

1.聚光太阳能发电厂（CSP）的高温难题与陶瓷基复合材料（CMC）的解决方案

聚光太阳能发电厂（CSP）的核心原理是通过镜面定日镜汇聚阳光，加热熔盐以储存能量。然而，其运行中产生的超 700°C 高温会导致金属等传统材料性能下降，成为技术发展的主要挑战。

非营利研究机构SRI（美国加利福尼亚州门洛帕克）长期致力于陶瓷基复合材料（CMC）的研发，目前正参与美国能源部（DOE）项目，优化 CMC 在太阳能与储能领域的应用。

传统 CMC 生产依赖聚合物渗透热解（PIP）工艺，需重复 10 次以上循环才能获得致密材料，耗时数周甚至数月。而 SRI 开发的新工艺采用功能化苯并恶嗪前体树脂负载陶瓷颗粒，与碳纤维结合后，预陶瓷坯体仅需一次热解即可形成足够致密的 CMC，生产周期缩短至3-5 天，成本降低 50%，且材料更耐高温、熔盐腐蚀及磨损。

2.轻量化太阳能电池板的复合材料创新

在便携场景（如屋顶、船舶、卫星）中，太阳能电池板的轻量化至关重要，以下为典型案例：

Solarge 与 EconCore 的合作

荷兰企业 Solarge 与 EconCore 于 2023 年推出全复合材料蜂窝太阳能电池板，采用圆形蜂窝夹层结构，可将屋顶太阳能装置重量减轻65%，兼具轻量化与结构强度。

Levante 的再生碳纤维技术

意大利初创公司 Levante 开发了集成再生碳纤维（rCF）、热塑性塑料和硅电池的便携式太阳能电池板，2024 年底推出标准化产品线，兼顾便携性与耐用性。其欧盟资助项目还计划引入生物基树脂和曲面设计，适配汽车车顶等曲面场景。

卫星太阳能电池阵列的复合材料应用

Kerberos Engineering：使用 TeXtreme 0/90 编织碳纤维铺展丝束织物制造可展开卫星太阳能阵列，资源消耗减少 90%，铺层精度与坚固性显著提升。

Airborne Aerospace：2024 年 12 月宣布为 MDA Space 的 Aurora 卫星 Sparkwing 太阳能阵列提供 200 余块高精度复合基板，单阵列光伏面积超 30 平方米，机翼结构由复合材料支架支撑。

NASA ACS3 太阳帆：采用柔性聚合物与碳纤维吊杆系统，可折叠发射并展开，利用光子能量推动航天器，计划 2024 年夏季发射。

3.核心突破与趋势

高温材料革新：SRI 的 CMC 工艺突破传统制造瓶颈，为 CSP 的高效稳定运行提供材料支撑。

轻量化与可持续性：再生碳纤维、生物基树脂等材料的应用，推动太阳能技术向便携化、环保化发展。

航天场景延伸：复合材料在卫星阵列与太阳帆中的应用，展现了其在极端环境下的性能优势，拓展了太空能源领域的可能性。

三、河流、潮汐和波浪能技术

如今，有多种河流或潮汐涡轮技术已实现商业化或正在开发中，其中许多技术采用复合支柱、翼型或其他复合材料，以实现最高效率和耐用性。其中之一是英国布里斯托尔 Proteus Marine Renewables 公司的AR1100潮汐涡轮机，该公司于2025年3月宣布，该涡轮机在日本鸣门海峡成功开发，可产生1.1兆瓦的清洁能源。据说，AR1100潮汐涡轮发电机的特点是带有三个复合叶片的水平轴转子，旨在潮汐流中实现最佳效率。

另一个例子是美国缅因州波特兰的 Ocean Renewable Power Co.（ORPC），该公司制造用于河流的流体动力发电机，称为RivGen系统，由合作伙伴美国俄亥俄州米亚米斯堡的 Hawthorn Composites制造的玻璃纤维复合支柱和碳纤维复合翼型提供支持。该公司已安装多个商业系统，为偏远地区提供清洁能源，并继续扩大生产规模。

ORPC 同时正在开发和测试下一代系统，包括其技术的海洋版本，首先通过欧盟资助的 CRIMSON 项目，在该项目中建造并测试了一个带有 5 米翼型的系统，并继续由贝尔法斯特女王大学领导的名为 X - Flow 的项目。2024 年 11 月，ORPC 宣布其位于爱尔兰都柏林的站点已成功将一台海洋流体动力涡轮机部署到北爱尔兰的斯特兰福德湖潮汐测试场。X - Flow 项目的下一阶段将包括在一系列运行条件下对涡轮机进行测试和监控。

2025年4月，ORPC 爱尔兰合作伙伴爱尔兰戈尔韦的ÉireComposites宣布，它将与ORPC 和戈尔韦大学的先进可持续制造与材料工程（ASMME）小组一起，领导一个新的TidalHealth 项目，旨在将 CFRP（碳纤维增强聚合物）潮汐涡轮机翼型与3D打印光纤传感器集成，实现这些系统的连续健康监测（SHM）。

另一种有前景的海洋能源技术是波浪能转换器（WEC），这是一种利用海浪运动发电的装置。各种类型的 WEC 已经被开发出来，其中许多概念的工作方式与水力涡轮机类似：一个柱状、叶片状或浮标状的装置位于水面上或水下，捕捉海浪作用于装置产生的能量。然后，该能量被传递到发电机，转化为电能。

一家广泛使用复合材料技术的WEC开发商是瑞典斯德哥尔摩的 CorPower Ocean，该公司报告称，自 2012 年成立以来，已从公共和私人投资者那里获得了9500万欧元的资金，并在瑞典、挪威、葡萄牙和苏格兰开展了业务，计划扩展到美国。该公司已成功展示了四代浮标式 WEC，目标是实现商业化。该公司目前正在开展多个项目，证明其 WEC 的抗风暴能力和高效发电能力，包括其首个全尺寸 WEC 原型 C4，该原型于2021年部署进行海洋试验，其特点是由纤维缠绕 GFRP（玻璃纤维增强复合材料）制造的直径9米的球形船体。

四、复合材料在石油和天然气领域的应用

复合材料固有的耐腐蚀性和轻质特性，使其在多种井口保护部件、水力压裂（fracking）用压裂塞、海上油气管道等领域逐步替代金属材料。复合材料还可作为高效、耐腐蚀的解决方案，用于现有管道的修复。

近年来，在海上油气管道领域，荷兰艾默伊登的 Strohm B.V. 公司（前身为 Airborne Oil & Gas）和英国朴茨茅斯的 Magma Global Ltd. 等企业已率先推动热塑性复合管（TCP）的开发与认证，以替代海上管道中的金属材料。2023年11月，Strohm 宣布其深水 TCP 出油管 / 跨接管技术通过挪威船级社（DNV）认证，随后在2024年多次宣布相关安装项目和新合同。2025 年初，该公司报告称与挪威斯托德的海底连接系统供应商 Unitech Offshore 签署了一项新谅解备忘录（MOU），旨在开发端到端的海底跨接管连接解决方案——通过与 Strohm 的TCP端接头集成，该方案不仅安装更简便，还可实现无法兰连接。此外，该公司还推出了TCP Designer，这是一款基于网络的工具，可帮助客户更快捷、轻松地设计定制化 TCP。

五、用于氢气运输的TCP

各公司也在调整TCP以用于氢气运输。例如，2024年2月，Strohm宣布其TCP已在德国Tüv-Süd完成了一项氢气测试项目。 

Hive Composites（英国拉夫堡）是一家专门为氢气应用开发TCP系统的公司。据CW的Stewart Mitchell报道，Hive Composites的TCP系统内外层均采用高密度聚乙烯(HDPE)制成，并添加了玻璃纤维增强聚合物(GFRP)和其他专用阻隔材料。该系统可连续制造，长度可达1.2公里，直径为2至6英寸，设计工作压力高达100巴。

Hive Composites 声称，TCP 在材料、制造和运输方面的全球变暖潜能值比同等钢管低四倍以上，TCP 的运营和退役排放量约低 60-70%。

六、陶瓷基复合材料（CMC）助力核聚变

根据国际能源署（IEA）的数据，2024 年全球新增核电装机容量超过 7 吉瓦，较 2023 年增长 33%。

人们对在核电站组件中使用陶瓷基复合材料（CMC）的兴趣日益浓厚，尤其是为了满足正在开发的下一代聚变反应堆的高温需求。《复合材料世界》（CW）的金杰·加德纳（Ginger Gardiner）解释道：“尽管核聚变发电还需数十年时间，但其潜力巨大 —— 每公斤燃料产生的能量是裂变（当前核电站）的四倍，几乎是燃烧石油或煤炭的四百万倍，而且不产生任何碳排放。”（参见《复合材料重塑能源》）

例如，英国国家复合材料中心（NCC，位于布里斯托尔）正在开发用于未来聚变反应堆的碳化硅陶瓷基复合材料（SiC/SiC）。据报道，SiC/SiC 材料具有损伤容限高、抗辐射能力强的特点，工作温度可达 1600°C。其应用有望使聚变反应堆在更高温度下运行，从而提高热效率，进而提升商业可行性。

先进核反应堆中的燃料棒包壳、堆芯和堆芯结构都是由GA-EMS的SiGA制造的，这是一种高科技CMC，可以承受目前反应堆中使用的金属部件的两倍以上的温度。

NCC 于 2023 年宣布，将其在该领域的专业知识投入到由英国原子能管理局（UKEA，位于阿宾登）领导的 HASTE-F 项目中，目标是在 SiC/SiC 反应堆组件的制造 scalability（可扩展性）、可成型性和性能方面取得进展。

在美国，通用原子电磁系统公司（GA-EMS，位于加利福尼亚州圣地亚哥）也在开发碳化硅材料及碳化硅复合泡沫，用于核燃料棒包壳和聚变电厂的其他应用。2024 年，该公司获得了美国能源部科学办公室的一份三年期合同，以开发这些材料的可扩展、具成本竞争力的制造路径。

GA-EMS 报告称，其 SiGA 高科技工程陶瓷基复合材料可制成复杂的平面、管状和定制几何形状，且成品 SiGA 复合材料在高达 1600°C 以上的高温辐照下仍能保持强度和稳定性。

2024 年 10 月，GA-EMS 宣布已实现一个项目里程碑，初步开发了四个数字孪生性能模型，以支持其技术并加速认证和许可流程。2024 年 12 月，该公司报告称，其 SiGA 燃料棒样品在爱达荷国家实验室（INL，位于美国爱达荷瀑布）成功完成了第一轮测试。

此外，CW 的加德纳还报道了德国格斯特霍芬的 BJS 陶瓷与 BJS 复合材料公司。该公司生产自有品牌的碳化硅纤维 Silafil，并将该纤维和碳纤维用 Silafil 陶瓷前体聚合物作为基体进行渗透，以制造 Keraman 陶瓷基复合材料及零件。

尽管核聚变反应堆在未来几年可能还有很长的路要走，但复合材料的优势现在是、并将继续是核能、可再生能源和传统油气能源应用的关键推动因素。作为复合材料先进技术的展示平台JEC展会是每一位复材人不可错过的国际盛会，2026年中国复合材料工业协会作为JEC官方合作伙伴，欢迎各位行业同仁与协会一起“走出去”，见证复合材料的先进技术在能源行业的新应用。