1. 簡(jiǎn)介

隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，人類對(duì)煤炭、石油等不可再生資源的過(guò)度依賴和開(kāi)發(fā)不斷加深，對(duì)全球性的氣候和生態(tài)系統(tǒng)造成了影響。為應(yīng)對(duì)能源消費(fèi)導(dǎo)致的二氧化碳高排放和全球變暖問(wèn)題，世界各國(guó)于 2016 年簽署了《巴黎氣候協(xié)定》，目標(biāo)將全球平均氣溫升幅與工業(yè)化前水平相比控制在 2℃以內(nèi)，并努力將溫升限制在 1.5℃以內(nèi)。作為世界上最大的能源消費(fèi)國(guó)，中國(guó)在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上承諾到 2030 年碳排放達(dá)到峰值，2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和。但煤炭和石油在中國(guó)目前的能源結(jié)構(gòu)中仍占主導(dǎo)地位，2020 年煤炭消費(fèi)量占全球煤炭消費(fèi)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?jī)r(jià)格高企、動(dòng)力煤短缺、中國(guó)火電機(jī)組關(guān)停容量大等原因，東北地區(qū)出現(xiàn)了罕見(jiàn)的嚴(yán)重“限電”現(xiàn)象。低迷的能源結(jié)構(gòu)難以支撐經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。再加上中國(guó)正處于推進(jìn)新型工業(yè)化、經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的“十四五”階段，直接限制溫室氣體排放將增加能源成本，對(duì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生負(fù)面影響。為此，中國(guó)新能源法于2020年頒布，刻意強(qiáng)調(diào)要推動(dòng)零碳能源。

風(fēng)能是改善氣候與環(huán)境友好性、提升經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的重要新能源，合理利用風(fēng)能是解決當(dāng)今世界能源短缺和全球環(huán)境問(wèn)題的有效途徑之一。因此，發(fā)展可再生程度高的風(fēng)能建設(shè)，推動(dòng)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展已成為我國(guó)的當(dāng)務(wù)之急。風(fēng)電葉片是實(shí)現(xiàn)風(fēng)能捕獲的主要部件，目前主要采用玻璃纖維復(fù)合材料或碳纖維復(fù)合材料制成。風(fēng)電葉片通常在高原、山地、海洋等風(fēng)資源密集的惡劣環(huán)境中運(yùn)行。近年來(lái)，風(fēng)電葉片重大事故頻發(fā)，葉片安全問(wèn)題已成為制約大型葉片發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸之一。碳纖維復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、密度低、剛度大等優(yōu)異特性，應(yīng)用于大型葉片具有明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著中國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料在大型風(fēng)電葉片上的應(yīng)用已成為必然趨勢(shì)。

然而，碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)電葉片上的應(yīng)用仍面臨諸多問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，由于成本、制造技術(shù)等因素，碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)電葉片應(yīng)用中的占比與國(guó)際水平還有一定差距；其次，我國(guó)獨(dú)特的風(fēng)資源地理分布增加了對(duì)輕量化大型風(fēng)電葉片的需求，但使用碳纖維復(fù)合材料葉片的經(jīng)濟(jì)性和能源效率尚不明確；第三，我國(guó)目前碳纖維復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)框架存在供需不平衡的問(wèn)題，導(dǎo)致采用碳纖維原材料制造的風(fēng)電葉片主要依賴進(jìn)口；第四，碳纖維復(fù)合材料葉片的制造技術(shù)尚處于探索階段，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的制備還不成熟；第五，碳纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片的過(guò)量使用，將增加未來(lái)回收廢舊碳纖維風(fēng)電葉片的成本，也限制了碳纖維復(fù)合材料在我國(guó)風(fēng)電葉片中的應(yīng)用占比。因此，迫切需要對(duì)我國(guó)風(fēng)電行業(yè)采用的碳纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片進(jìn)行全面的經(jīng)濟(jì)性和能源效率評(píng)估。

風(fēng)電葉片為混合結(jié)構(gòu)，主要包括蒙皮、翼梁蓋、腹板等結(jié)構(gòu)單元，典型葉片剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，主翼梁區(qū)域組成的翼梁蓋和腹板是整個(gè)葉片的主要承載結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)控制葉片的整體剛度（變形性能）、極限強(qiáng)度（承載性能）和抗剪性能；蒙皮殼體的非承載或次承載結(jié)構(gòu)主要用于形成葉片的氣動(dòng)外形。

圖1. 風(fēng)力渦輪機(jī)葉片結(jié)構(gòu)圖。

風(fēng)電葉片輕量化、大型化的發(fā)展需求，為碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用帶來(lái)了機(jī)遇。深圳市谷神產(chǎn)業(yè)研究有限公司指出，與玻璃纖維復(fù)合材料葉片相比，采用碳纖維復(fù)合材料制成的風(fēng)電葉片具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，但也存在一定的缺點(diǎn)，如表1所示。目前，碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)電葉片中應(yīng)用最關(guān)鍵的部位是主梁區(qū)域。與玻璃纖維復(fù)合材料的主梁相比，采用碳纖維復(fù)合材料制成的主梁可以提高葉片剛度，同時(shí)顯著減輕葉片質(zhì)量。但考慮到碳纖維復(fù)合材料較高的經(jīng)濟(jì)成本，在國(guó)內(nèi)，大多數(shù)風(fēng)電企業(yè)仍采用傳統(tǒng)的玻璃纖維復(fù)合材料制作風(fēng)電葉片，僅有南通中泰、中復(fù)聯(lián)眾、中材科技等少數(shù)風(fēng)電企業(yè)在主梁區(qū)域采用碳纖維復(fù)合材料。其原因主要有以下兩點(diǎn)。一方面，碳纖維復(fù)合材料相較于玻璃纖維復(fù)合材料的成本較高；另一方面，用碳纖維復(fù)合材料制造超大型葉片的技術(shù)還不夠成熟，制造工藝和安裝后的維護(hù)也存在問(wèn)題。

中國(guó)氣象局估計(jì)，中國(guó)平均風(fēng)能密度為100W/m2，總風(fēng)能儲(chǔ)量約1.6×105MW。東南沿海及其周邊島嶼、內(nèi)蒙古、甘肅走廊、東北、西北、華北和青藏高原等地區(qū)年均風(fēng)速超過(guò)3米/秒的有近4000小時(shí)，其中部分地區(qū)年平均風(fēng)速可達(dá)6～7米/秒以上，中國(guó)在開(kāi)發(fā)利用風(fēng)能方面很有前景。另外，中國(guó)擁有2萬(wàn)公里長(zhǎng)的海岸線，具備建設(shè)大型沿?；蚝Ｉ巷L(fēng)電場(chǎng)的條件。中國(guó)風(fēng)能密度分布如圖2所示。根據(jù)風(fēng)能密度和風(fēng)速，中國(guó)主要風(fēng)資源的地理分布可分為四個(gè)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)（東北、華北北部和西北地區(qū)）及沿海。

圖2. 中國(guó)風(fēng)能資源地理分布

中國(guó)最大的風(fēng)能資源區(qū)是東南沿海及其島嶼，有效風(fēng)能密度大于或等于200 W/m2的等值線與海岸線平行，沿海島嶼風(fēng)能密度在300 W/m 2以上，有效風(fēng)速出現(xiàn)時(shí)間百分比達(dá)80%~90%，每年約有7000~8000小時(shí)出現(xiàn)8 m/s 以上的風(fēng)速，6 m/s 以上的風(fēng)速也有4000小時(shí)左右。此外，該地區(qū)海上風(fēng)能比陸上風(fēng)能更均勻、更可利用。內(nèi)蒙古、甘肅北部、新疆北部地區(qū)常年受西風(fēng)帶控制，風(fēng)能密度多為200~300 W/m 2，有效風(fēng)時(shí)間百分比約為70%，每年風(fēng)速大于或等于3 m/s的次數(shù)在5 000小時(shí)以上，風(fēng)速大于或等于6 m/s的次數(shù)在2 000小時(shí)以上；東北三?。ê邶埥?、吉林東部、遼東半島沿海）風(fēng)能密度均在200 W/m 2以上，風(fēng)速大于或等于3 m/s的年累計(jì)次數(shù)為5 000~7 000小時(shí)，6 m/s的年累計(jì)次數(shù)為3 000小時(shí)。風(fēng)速大于等于3米/秒的年累計(jì)時(shí)間約為4000～5000小時(shí)，風(fēng)速大于等于6米/秒的年累計(jì)時(shí)間超過(guò)3000小時(shí)，這四個(gè)地區(qū)風(fēng)能資源十分豐富，目前已建成多座風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景廣闊。

上述四個(gè)典型風(fēng)資源聚集區(qū)中，最具代表性的風(fēng)電場(chǎng)為廣東南澳海上風(fēng)電場(chǎng)、內(nèi)蒙古輝騰錫勒風(fēng)電場(chǎng)、吉林白城風(fēng)電場(chǎng)、青藏高原茫崖風(fēng)電場(chǎng)。這些代表性風(fēng)電場(chǎng)一年內(nèi)有效風(fēng)能密度及風(fēng)速超過(guò)6m/s的時(shí)間分布如圖3所示。

圖3 各地區(qū)典型風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)資源分布。

其中，位于臺(tái)灣海峽喇叭口西南端的南澳風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)資源尤為豐富，年平均風(fēng)速大于或等于6米/秒的年累計(jì)時(shí)間約有4000小時(shí)，該風(fēng)電場(chǎng)近海區(qū)域已安裝約6MW風(fēng)電機(jī)組，該風(fēng)電場(chǎng)沿海區(qū)域有效風(fēng)能密度達(dá)1101W/m 2，風(fēng)況屬世界最佳。

內(nèi)蒙古烏蘭察布市有效風(fēng)電場(chǎng)面積6828平方公里技術(shù)，可開(kāi)發(fā)容量68000MW，其中位于內(nèi)蒙古高原的烏蘭察布市輝騰錫勒風(fēng)電場(chǎng)已安裝約4.5MW風(fēng)電機(jī)組，風(fēng)速大于等于6m/s的年發(fā)生次數(shù)超過(guò)2000小時(shí)，有效風(fēng)能密度為662W/m 2。

吉林省白城市可開(kāi)發(fā)風(fēng)能面積6865平方公里，裝機(jī)容量2280萬(wàn)千瓦，該市向陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)已安裝3.3兆瓦風(fēng)電機(jī)組。據(jù)氣象專家介紹，白城市風(fēng)電年總發(fā)電量20.76萬(wàn)千瓦時(shí)，風(fēng)速大于或等于6米/秒的年累計(jì)時(shí)間約3000小時(shí)，有效風(fēng)能密度348瓦/平米。

青藏高原風(fēng)能密度較低，但這并沒(méi)有阻礙中國(guó)風(fēng)電企業(yè)的發(fā)展。青藏高原茫崖風(fēng)電場(chǎng)每年累計(jì)風(fēng)速大于或等于6m/s的年累計(jì)時(shí)間約為3000h，有效風(fēng)能密度為284W/m2，安裝2.5MW風(fēng)電機(jī)組。在金山與青藏高原交界處，平均海拔3000m，中國(guó)株洲車輛公司的1.5WM型風(fēng)電機(jī)組已并網(wǎng)發(fā)電。這四個(gè)風(fēng)電場(chǎng)地理位置差異很大，風(fēng)能條件也各有不同，是中國(guó)最具代表性的風(fēng)電場(chǎng)。

中國(guó)風(fēng)能資源獨(dú)特的地理分布特征，為風(fēng)能的綜合開(kāi)發(fā)利用積累了有利條件。風(fēng)電行業(yè)的快速增長(zhǎng)逐步帶動(dòng)了葉片的大型化發(fā)展，但不同地理分布區(qū)域的風(fēng)能參數(shù)與大型葉片效益之間的關(guān)系尚不明確，因此需要進(jìn)一步分析碳纖維在風(fēng)電葉片中應(yīng)用所帶來(lái)的重量、碳足跡、內(nèi)涵能量和成本的變化。

4.1. 能源效率與經(jīng)濟(jì)性分析與評(píng)價(jià)

根據(jù)我國(guó)風(fēng)資源地理分布特點(diǎn)，依據(jù)能源效率與經(jīng)濟(jì)性模型對(duì)不同風(fēng)資源區(qū)的典型代表風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行分析，各區(qū)域典型風(fēng)電場(chǎng)相關(guān)的風(fēng)資源特性及對(duì)應(yīng)的風(fēng)電機(jī)組參數(shù)如表2所示。此外，為評(píng)估采用碳纖維復(fù)合材料對(duì)大型葉片盈利能力的影響，在模型計(jì)算的基準(zhǔn)葉片長(zhǎng)度基礎(chǔ)上，分別將葉片尺寸增加20m和40m，進(jìn)行了能源效率與經(jīng)濟(jì)性的對(duì)比分析與評(píng)估。

圖4為計(jì)算得到的4個(gè)典型代表風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)頻率圖，可以看出，青藏高原的茫崖風(fēng)電場(chǎng)和吉林省白城風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速大部分時(shí)間都較小，小于10m/s；而內(nèi)蒙古輝騰錫勒風(fēng)電場(chǎng)和廣東南澳風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速在一年中大于10m/s的時(shí)間較多，說(shuō)明這兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)資源較為豐富。

圖4. 不同區(qū)域風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)頻率圖。

根據(jù)風(fēng)頻圖可計(jì)算出茫崖風(fēng)電場(chǎng)、白城風(fēng)電場(chǎng)、輝騰錫勒風(fēng)電場(chǎng)、南澳風(fēng)電場(chǎng)的有效風(fēng)能小時(shí)數(shù)分別為7703h、7776h、7972h、8088h。同時(shí)計(jì)算出不同風(fēng)資源區(qū)典型風(fēng)電場(chǎng)不同葉片長(zhǎng)度的能效比，如圖5所示。

圖5 不同地區(qū)增加葉片長(zhǎng)度后能源效率對(duì)比：（a）廣東南澳；（b）內(nèi)蒙古輝騰錫勒；（c）吉林白城；（d）青藏高原芒牙。注：南澳、輝騰錫勒、白城、青藏高原上網(wǎng)電價(jià)分別為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）。

以南澳海上風(fēng)電場(chǎng)6MW風(fēng)機(jī)為例，如果將40m長(zhǎng)的葉片換成80m長(zhǎng)的葉片，每臺(tái)風(fēng)機(jī)的年發(fā)電量將增加100%。而且，由于在不增加葉片長(zhǎng)度的情況下，基數(shù)年發(fā)電量較高，因此增加葉片長(zhǎng)度后的年發(fā)電增益更高。同時(shí)，由于國(guó)家對(duì)海上風(fēng)電項(xiàng)目的支持，海上風(fēng)電的上網(wǎng)電價(jià)很高，理論上每臺(tái)風(fēng)機(jī)年可增加184萬(wàn)美元收益。另外，南澳風(fēng)電場(chǎng)靠近海岸，海域條件惡劣，風(fēng)機(jī)葉片中采用高強(qiáng)度、耐腐蝕的碳纖維復(fù)合材料可延長(zhǎng)其使用壽命，因此非常適合在該地區(qū)安裝大型碳纖維復(fù)合材料葉片。

輝騰錫勒風(fēng)電場(chǎng)4.5MW風(fēng)機(jī)，葉片長(zhǎng)度增加40m后，年發(fā)電量增加87%，年基礎(chǔ)發(fā)電量也較高，但由于該地區(qū)上網(wǎng)電價(jià)較低，雖然發(fā)電量較高，但收益并不是特別高。

吉林省白城市向陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)，葉片長(zhǎng)度增加40m后，年發(fā)電量增加82%，但由于平均風(fēng)速低，且受單機(jī)容量小的影響，年基本發(fā)電量較低，因此前兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)增加葉片長(zhǎng)度后發(fā)電量相對(duì)較低，但不同風(fēng)資源區(qū)上網(wǎng)電價(jià)不同，雖然發(fā)電量遠(yuǎn)低于輝騰錫勒風(fēng)電場(chǎng)，但收益相差不大。

對(duì)于青藏高原的茫崖風(fēng)電場(chǎng)，葉片長(zhǎng)度增加40m，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)發(fā)電量可增加89%。同樣，由于平均風(fēng)速低、海拔高、單機(jī)容量小等因素的影響，單機(jī)年發(fā)電量比其他風(fēng)電場(chǎng)要低得多。但是由于有上網(wǎng)電價(jià)的支持，收益也很可觀。但是該地區(qū)海拔過(guò)高，導(dǎo)致大型風(fēng)電葉片的運(yùn)輸和安裝成本很高，發(fā)電量較低。因此，大型風(fēng)電葉片在茫崖風(fēng)電場(chǎng)的適用性可能并不理想。

綜上所述，在不同地區(qū)可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片越長(zhǎng)，在相同額定功率下，年發(fā)電量越高，收益越可觀。葉片越長(zhǎng)，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)相同功率下，額定風(fēng)速越低，則在低風(fēng)速下可獲得更高的功率，增加總發(fā)電量。但葉片越長(zhǎng)，制造工藝越復(fù)雜，而且運(yùn)輸時(shí)需要的轉(zhuǎn)彎半徑越大，對(duì)道路寬度和海上運(yùn)輸船只的要求越高，增加運(yùn)輸成本。另外，隨著葉片長(zhǎng)度的增加，玻纖葉片的質(zhì)量會(huì)大幅增加。因此，采用碳纖維復(fù)合材料制造大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，減輕其質(zhì)量，提高其強(qiáng)度和使用壽命，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和應(yīng)用價(jià)值。

目前，我國(guó)在碳纖維復(fù)合材料制造大型風(fēng)電葉片方面，經(jīng)濟(jì)性和能源效率的權(quán)衡還不夠明確，因此，國(guó)內(nèi)采用碳纖維復(fù)合材料制造大型風(fēng)電葉片的企業(yè)相對(duì)較少。下面以我國(guó)不同地區(qū)的四個(gè)典型風(fēng)電場(chǎng)為例，從葉片規(guī)模、材料選擇等方面進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。經(jīng)濟(jì)性和能源效率對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

圖6 碳纖維葉片與傳統(tǒng)玻璃纖維葉片經(jīng)濟(jì)性對(duì)比 注：僅考慮材料采購(gòu)成本，未考慮碳纖維復(fù)合材料的加工難度、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、進(jìn)口稅率等成本，僅考慮風(fēng)電葉片中心部位的材料質(zhì)量。

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(shí)，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(shí)，葉片質(zhì)量最高，但成本、碳足跡和體現(xiàn)性能相對(duì)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(zhǎng)度的增加，這種降低的比例越來(lái)越少，例如，當(dāng)葉片增加40m時(shí)，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(shí)，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(zhǎng)度的增加，這種增加的比例越來(lái)越少。例如，當(dāng)葉片長(zhǎng)度增加40 m時(shí)，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(shí)，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(shì)相對(duì)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(guò)增加使用壽命、延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間、減少維護(hù)等方式帶來(lái)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(jì)算結(jié)果不受環(huán)境影響。這表明，在我國(guó)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(guó)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。