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

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。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/m²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/m²，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/m²以上，风速大于或等于3m/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/m²。

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。

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。

图 10. 政府应对挑战的政策。

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).