復(fù)合材料長期以來一直用于與能源相關(guān)的結(jié)構(gòu)應(yīng)用，如風(fēng)力渦輪機葉片和石油和天然氣開采中的各種部件。復(fù)合材料的新材料和創(chuàng)新也有助于為下一代能源提供動力，包括海上風(fēng)能、工業(yè)太陽能農(nóng)場和基于衛(wèi)星的太陽能電池陣列、河流和海洋能源系統(tǒng)，以及綠色氫運輸管道。

國際能源署（IEA，法國巴黎）在其2025年3月發(fā)布的最新《全球能源評論》中指出，2024年全球能源需求將增長2.2%（幾乎是過去十年平均水平的兩倍），主要原因是制冷、工業(yè)、交通電氣化以及人工智能數(shù)據(jù)中心的增長對電力的需求增加。

盡管IEA報告稱全球范圍內(nèi)所有燃料和技術(shù)（可再生能源、石油、天然氣、煤炭、核能）的需求都有所增長，但2024年全球發(fā)電量增長的80%來自可再生能源和核能，這是清潔能源首次占總發(fā)電量的40%。

許多能源和發(fā)電技術(shù)都是通過復(fù)合材料以各種方式實現(xiàn)的，本文中提及的雖然并不全面，但也總結(jié)了部分能源領(lǐng)域中復(fù)合材料的前景和最新技術(shù)應(yīng)用。

一、風(fēng)能市場和復(fù)合材料創(chuàng)新

風(fēng)力渦輪機領(lǐng)域是復(fù)合材料的核心應(yīng)用場景，每個葉片均大量使用玻璃纖維，而用于加固翼梁帽的碳纖維用量也呈增長趨勢，部分風(fēng)力渦輪機的機艙結(jié)構(gòu)同樣采用復(fù)合材料制造。

根據(jù)全球風(fēng)能理事會（GWEC）今年 4 月發(fā)布的《2025 年全球風(fēng)能報告》，2024 年全球新增風(fēng)電裝機容量達 117 吉瓦（GW），與創(chuàng)紀錄的 2023 年基本持平。盡管風(fēng)電行業(yè)面臨利率上升、通貨膨脹、供應(yīng)鏈壓力、貿(mào)易壁壘及政治不確定性等多重挑戰(zhàn)，仍實現(xiàn)了顯著發(fā)展。

從區(qū)域格局看，2024 年中國在全球風(fēng)電裝機容量中位居首位，緊隨其后的是美國、德國、印度和巴西。報告顯示，北美、拉丁美洲和歐洲的新增裝機量較 2023 年有所下降，但亞太地區(qū)同比增長7%，以埃及和沙特阿拉伯為代表的非洲及中東地區(qū)增幅高達 107%，展現(xiàn)出 “創(chuàng)紀錄的增長”態(tài)勢。

根據(jù)路透社2024年7月的報道中指出，全球十大風(fēng)力渦輪機制造商中，中國企業(yè)占據(jù)六席（金風(fēng)科技、遠景能源、溫德利、明陽、三一和東方電氣），其生產(chǎn)的渦輪機主要供應(yīng)國內(nèi)市場，同時正逐步拓展歐洲等海外市場。其他上榜企業(yè)包括歐洲的維斯塔斯（Vestas）、西門子歌美颯（Siemens Gamesa）、Nordex，以及美國的通用電氣 Vernova。

印度 Stratview Research 公司在 2024 年 11 月的行業(yè)研討會上提到，風(fēng)電葉片翼梁帽目前是印度碳纖維復(fù)合材料的最大應(yīng)用領(lǐng)域，且需求持續(xù)攀升，預(yù)計到 2030 年將實現(xiàn)一倍以上的增長。

GWEC 預(yù)測，未來風(fēng)電行業(yè)的復(fù)合平均增長率（CAGR）為 8.8%，這意味著到 2030 年全球裝機容量將新增981吉瓦。但GWEC主席喬納森?科爾（Jonathan Cole）強調(diào)：“我們的發(fā)展速度仍顯不足 —— 若要實現(xiàn) 2030 年裝機容量翻三倍的關(guān)鍵目標（以推動全球脫碳進程），風(fēng)能裝機率需持續(xù)增長，而非保持穩(wěn)定或下降。我們必須繼續(xù)努力，加快推進步伐。”

風(fēng)力渦輪機技術(shù)的研究與創(chuàng)新

為支撐行業(yè)增長，風(fēng)力渦輪機葉片技術(shù)領(lǐng)域正開展諸多創(chuàng)新，涵蓋制造方法優(yōu)化、材料革新及更高效高容量的設(shè)計研發(fā)。

葉片長度直接影響風(fēng)能捕獲量。盡管近年受供應(yīng)鏈和財務(wù)因素制約出現(xiàn) “停滯”，但全球風(fēng)電原始設(shè)備制造商持續(xù)推出大容量陸上及海上風(fēng)力渦輪機，配套葉片亦不斷加長。

全球風(fēng)能理事會（GWEC）數(shù)據(jù)顯示，中國市場規(guī)模擴張尤為迅猛。截至2024年底，已有 6 家中國原始設(shè)備制造商推出20兆瓦以上海上風(fēng)力渦輪機。其中，東方電氣（廣東）于2024 年11月宣布完成首臺 26 兆瓦海上風(fēng)力渦輪機生產(chǎn)，這是目前全球已建成的最大型海上風(fēng)力渦輪機。該機型在10米/秒風(fēng)速下，單臺年清潔發(fā)電量可達1億千瓦時，能滿足 5.5 萬戶家庭的年度用電需求。

廣東明陽智能能源有限公司計劃于 2024 年8月在中國海南安裝首臺18-20兆瓦海上風(fēng)力渦輪機 MySE18.X-20MW，該平臺預(yù)計年發(fā)電量達 8000 萬千瓦時。公司透露，目前正研發(fā)更大的22兆瓦渦輪機。丹陽市恒神股份有限公司已成為明陽超大型海上風(fēng)力渦輪機平臺 MySE292 的143米長葉片獨家碳纖維織物供應(yīng)商。

為與中國競爭，西班牙薩穆迪奧的西門子歌美颯已在丹麥安裝一臺21兆瓦海上渦輪機原型機。與此同時，GWEC數(shù)據(jù)顯示，丹麥奧胡斯的維斯塔斯 V236-15.0MW 型號全球確認訂單已超6吉瓦。

陸上渦輪機也在向大型化發(fā)展，葉片長度不斷增加。例如，中國風(fēng)電葉片制造商三一新能源（北京）宣布 2024年將推出 131 米長的 SY1310A 風(fēng)電葉片。消息稱，這些葉片將用于該公司10兆瓦陸上渦輪機，后續(xù)可能適配其已公布的15兆瓦渦輪機 —— 據(jù)稱這將是迄今開發(fā)的最大陸上渦輪機。

據(jù)悉，這些葉片采用玻璃纖維預(yù)絎縫技術(shù)、碳纖維復(fù)合材料翼梁帽、大型復(fù)合材料葉片長距離自動灌注技術(shù)及葉片后緣盲膠嵌件3D設(shè)計制造，并使用聚氨酯結(jié)構(gòu)件以提升可回收性。GWEC 還提及，德國漢堡的 Nordex、丹麥奧胡斯的Vestas及德國奧里希的Enercon，過去幾年在陸上機型方面均有新型升級動作。

風(fēng)電技術(shù)中生物基材料的應(yīng)用示范

為替代眾多應(yīng)用（包括風(fēng)能技術(shù)）中傳統(tǒng)的化石燃料基材料，多種源自植物或其他天然來源的聚合物和纖維已被開發(fā)出來。例如，NREL 已發(fā)表了關(guān)于開發(fā)一種被其稱為 “生物質(zhì)衍生” 樹脂的研究，該樹脂昵稱 “聚酯共價適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)”（PECAN），專門用于風(fēng)電葉片制造。PECAN 據(jù)稱為糖基來源，可通過化學(xué)工藝回收，且性能已被證明與行業(yè)標準樹脂相當(dāng)。研究人員通過制造 9 米長的原型葉片測試了該樹脂的可制造性。在歐盟，EOLIAN 是一個為期 3.5 年的多合作伙伴項目，于 2024 年 6 月啟動，目標是開發(fā)新一代智能、可持續(xù)的風(fēng)機葉片，具有更長的使用壽命、更高的可靠性和可持續(xù)性。EOLIAN 葉片預(yù)計可修復(fù)、可回收，并集成傳感器以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM），包括將可回收的 vitrimer 樹脂與天然玄武巖纖維結(jié)合，替代玻璃纖維。

替代風(fēng)能系統(tǒng)

值得一提的是，除了傳統(tǒng)渦輪機外，其他基于風(fēng)能的能源系統(tǒng)也在開發(fā)中，包括所謂的空中風(fēng)能（AWE）系統(tǒng)。這些系統(tǒng)使用系留在地面站的風(fēng)箏或無人機，以螺旋或 “8” 字形軌跡運動，捕捉高空風(fēng)能。愛爾蘭戈爾韋的復(fù)合材料技術(shù)實驗室（CTL）是參與這一領(lǐng)域研究的公司之一，其開展的 “愛爾蘭空中風(fēng)能風(fēng)箏”（HAWK）項目由愛爾蘭可持續(xù)能源管理局（SEAI）資助。在 HAWK 項目中，CTL 及其合作伙伴正致力于解決 AWE 開發(fā)和認證中的挑戰(zhàn)，包括材料、產(chǎn)品安全 / 法規(guī)、技術(shù)可行性以及開發(fā)有效的供應(yīng)鏈。

二、太陽能應(yīng)用中的復(fù)合材料技術(shù)進展與多元場景實踐

1.聚光太陽能發(fā)電廠（CSP）的高溫難題與陶瓷基復(fù)合材料（CMC）的解決方案

聚光太陽能發(fā)電廠（CSP）的核心原理是通過鏡面定日鏡匯聚陽光，加熱熔鹽以儲存能量。然而，其運行中產(chǎn)生的超 700°C 高溫會導(dǎo)致金屬等傳統(tǒng)材料性能下降，成為技術(shù)發(fā)展的主要挑戰(zhàn)。

非營利研究機構(gòu)SRI（美國加利福尼亞州門洛帕克）長期致力于陶瓷基復(fù)合材料（CMC）的研發(fā)，目前正參與美國能源部（DOE）項目，優(yōu)化 CMC 在太陽能與儲能領(lǐng)域的應(yīng)用。

傳統(tǒng) CMC 生產(chǎn)依賴聚合物滲透熱解（PIP）工藝，需重復(fù) 10 次以上循環(huán)才能獲得致密材料，耗時數(shù)周甚至數(shù)月。而 SRI 開發(fā)的新工藝采用功能化苯并惡嗪前體樹脂負載陶瓷顆粒，與碳纖維結(jié)合后，預(yù)陶瓷坯體僅需一次熱解即可形成足夠致密的 CMC，生產(chǎn)周期縮短至3-5 天，成本降低 50%，且材料更耐高溫、熔鹽腐蝕及磨損。

2.輕量化太陽能電池板的復(fù)合材料創(chuàng)新

在便攜場景（如屋頂、船舶、衛(wèi)星）中，太陽能電池板的輕量化至關(guān)重要，以下為典型案例：

Solarge 與 EconCore 的合作

荷蘭企業(yè) Solarge 與 EconCore 于 2023 年推出全復(fù)合材料蜂窩太陽能電池板，采用圓形蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，可將屋頂太陽能裝置重量減輕65%，兼具輕量化與結(jié)構(gòu)強度。

Levante 的再生碳纖維技術(shù)

意大利初創(chuàng)公司 Levante 開發(fā)了集成再生碳纖維（rCF）、熱塑性塑料和硅電池的便攜式太陽能電池板，2024 年底推出標準化產(chǎn)品線，兼顧便攜性與耐用性。其歐盟資助項目還計劃引入生物基樹脂和曲面設(shè)計，適配汽車車頂?shù)惹鎴鼍啊?/span>

衛(wèi)星太陽能電池陣列的復(fù)合材料應(yīng)用

Kerberos Engineering：使用 TeXtreme 0/90 編織碳纖維鋪展絲束織物制造可展開衛(wèi)星太陽能陣列，資源消耗減少 90%，鋪層精度與堅固性顯著提升。

Airborne Aerospace：2024 年 12 月宣布為 MDA Space 的 Aurora 衛(wèi)星 Sparkwing 太陽能陣列提供 200 余塊高精度復(fù)合基板，單陣列光伏面積超 30 平方米，機翼結(jié)構(gòu)由復(fù)合材料支架支撐。

NASA ACS3 太陽帆：采用柔性聚合物與碳纖維吊桿系統(tǒng)，可折疊發(fā)射并展開，利用光子能量推動航天器，計劃 2024 年夏季發(fā)射。

3.核心突破與趨勢

高溫材料革新：SRI 的 CMC 工藝突破傳統(tǒng)制造瓶頸，為 CSP 的高效穩(wěn)定運行提供材料支撐。

輕量化與可持續(xù)性：再生碳纖維、生物基樹脂等材料的應(yīng)用，推動太陽能技術(shù)向便攜化、環(huán)保化發(fā)展。

航天場景延伸：復(fù)合材料在衛(wèi)星陣列與太陽帆中的應(yīng)用，展現(xiàn)了其在極端環(huán)境下的性能優(yōu)勢，拓展了太空能源領(lǐng)域的可能性。

三、河流、潮汐和波浪能技術(shù)

如今，有多種河流或潮汐渦輪技術(shù)已實現(xiàn)商業(yè)化或正在開發(fā)中，其中許多技術(shù)采用復(fù)合支柱、翼型或其他復(fù)合材料，以實現(xiàn)最高效率和耐用性。其中之一是英國布里斯托爾 Proteus Marine Renewables 公司的AR1100潮汐渦輪機，該公司于2025年3月宣布，該渦輪機在日本鳴門海峽成功開發(fā)，可產(chǎn)生1.1兆瓦的清潔能源。據(jù)說，AR1100潮汐渦輪發(fā)電機的特點是帶有三個復(fù)合葉片的水平軸轉(zhuǎn)子，旨在潮汐流中實現(xiàn)最佳效率。

另一個例子是美國緬因州波特蘭的 Ocean Renewable Power Co.（ORPC），該公司制造用于河流的流體動力發(fā)電機，稱為RivGen系統(tǒng)，由合作伙伴美國俄亥俄州米亞米斯堡的 Hawthorn Composites制造的玻璃纖維復(fù)合支柱和碳纖維復(fù)合翼型提供支持。該公司已安裝多個商業(yè)系統(tǒng)，為偏遠地區(qū)提供清潔能源，并繼續(xù)擴大生產(chǎn)規(guī)模。

ORPC 同時正在開發(fā)和測試下一代系統(tǒng)，包括其技術(shù)的海洋版本，首先通過歐盟資助的 CRIMSON 項目，在該項目中建造并測試了一個帶有 5 米翼型的系統(tǒng)，并繼續(xù)由貝爾法斯特女王大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的名為 X - Flow 的項目。2024 年 11 月，ORPC 宣布其位于愛爾蘭都柏林的站點已成功將一臺海洋流體動力渦輪機部署到北愛爾蘭的斯特蘭福德湖潮汐測試場。X - Flow 項目的下一階段將包括在一系列運行條件下對渦輪機進行測試和監(jiān)控。

2025年4月，ORPC 愛爾蘭合作伙伴愛爾蘭戈爾韋的éireComposites宣布，它將與ORPC 和戈爾韋大學(xué)的先進可持續(xù)制造與材料工程（ASMME）小組一起，領(lǐng)導(dǎo)一個新的TidalHealth 項目，旨在將 CFRP（碳纖維增強聚合物）潮汐渦輪機翼型與3D打印光纖傳感器集成，實現(xiàn)這些系統(tǒng)的連續(xù)健康監(jiān)測（SHM）。

另一種有前景的海洋能源技術(shù)是波浪能轉(zhuǎn)換器（WEC），這是一種利用海浪運動發(fā)電的裝置。各種類型的 WEC 已經(jīng)被開發(fā)出來，其中許多概念的工作方式與水力渦輪機類似：一個柱狀、葉片狀或浮標狀的裝置位于水面上或水下，捕捉海浪作用于裝置產(chǎn)生的能量。然后，該能量被傳遞到發(fā)電機，轉(zhuǎn)化為電能。

一家廣泛使用復(fù)合材料技術(shù)的WEC開發(fā)商是瑞典斯德哥爾摩的 CorPower Ocean，該公司報告稱，自 2012 年成立以來，已從公共和私人投資者那里獲得了9500萬歐元的資金，并在瑞典、挪威、葡萄牙和蘇格蘭開展了業(yè)務(wù)，計劃擴展到美國。該公司已成功展示了四代浮標式 WEC，目標是實現(xiàn)商業(yè)化。該公司目前正在開展多個項目，證明其 WEC 的抗風(fēng)暴能力和高效發(fā)電能力，包括其首個全尺寸 WEC 原型 C4，該原型于2021年部署進行海洋試驗，其特點是由纖維纏繞 GFRP（玻璃纖維增強復(fù)合材料）制造的直徑9米的球形船體。

四、復(fù)合材料在石油和天然氣領(lǐng)域的應(yīng)用

復(fù)合材料固有的耐腐蝕性和輕質(zhì)特性，使其在多種井口保護部件、水力壓裂（fracking）用壓裂塞、海上油氣管道等領(lǐng)域逐步替代金屬材料。復(fù)合材料還可作為高效、耐腐蝕的解決方案，用于現(xiàn)有管道的修復(fù)。

近年來，在海上油氣管道領(lǐng)域，荷蘭艾默伊登的 Strohm B.V. 公司（前身為 Airborne Oil & Gas）和英國樸茨茅斯的 Magma Global Ltd. 等企業(yè)已率先推動熱塑性復(fù)合管（TCP）的開發(fā)與認證，以替代海上管道中的金屬材料。2023年11月，Strohm 宣布其深水 TCP 出油管 / 跨接管技術(shù)通過挪威船級社（DNV）認證，隨后在2024年多次宣布相關(guān)安裝項目和新合同。2025 年初，該公司報告稱與挪威斯托德的海底連接系統(tǒng)供應(yīng)商 Unitech Offshore 簽署了一項新諒解備忘錄（MOU），旨在開發(fā)端到端的海底跨接管連接解決方案——通過與 Strohm 的TCP端接頭集成，該方案不僅安裝更簡便，還可實現(xiàn)無法蘭連接。此外，該公司還推出了TCP Designer，這是一款基于網(wǎng)絡(luò)的工具，可幫助客戶更快捷、輕松地設(shè)計定制化 TCP。

五、用于氫氣運輸?shù)腡CP

各公司也在調(diào)整TCP以用于氫氣運輸。例如，2024年2月，Strohm宣布其TCP已在德國Tüv-Süd完成了一項氫氣測試項目。 

Hive Composites（英國拉夫堡）是一家專門為氫氣應(yīng)用開發(fā)TCP系統(tǒng)的公司。據(jù)CW的Stewart Mitchell報道，Hive Composites的TCP系統(tǒng)內(nèi)外層均采用高密度聚乙烯(HDPE)制成，并添加了玻璃纖維增強聚合物(GFRP)和其他專用阻隔材料。該系統(tǒng)可連續(xù)制造，長度可達1.2公里，直徑為2至6英寸，設(shè)計工作壓力高達100巴。

Hive Composites 聲稱，TCP 在材料、制造和運輸方面的全球變暖潛能值比同等鋼管低四倍以上，TCP 的運營和退役排放量約低 60-70%。

六、陶瓷基復(fù)合材料（CMC）助力核聚變

根據(jù)國際能源署（IEA）的數(shù)據(jù)，2024 年全球新增核電裝機容量超過 7 吉瓦，較 2023 年增長 33%。

人們對在核電站組件中使用陶瓷基復(fù)合材料（CMC）的興趣日益濃厚，尤其是為了滿足正在開發(fā)的下一代聚變反應(yīng)堆的高溫需求。《復(fù)合材料世界》（CW）的金杰·加德納（Ginger Gardiner）解釋道：“盡管核聚變發(fā)電還需數(shù)十年時間，但其潛力巨大 —— 每公斤燃料產(chǎn)生的能量是裂變（當(dāng)前核電站）的四倍，幾乎是燃燒石油或煤炭的四百萬倍，而且不產(chǎn)生任何碳排放?！保▍⒁姟稄?fù)合材料重塑能源》）

例如，英國國家復(fù)合材料中心（NCC，位于布里斯托爾）正在開發(fā)用于未來聚變反應(yīng)堆的碳化硅陶瓷基復(fù)合材料（SiC/SiC）。據(jù)報道，SiC/SiC 材料具有損傷容限高、抗輻射能力強的特點，工作溫度可達 1600°C。其應(yīng)用有望使聚變反應(yīng)堆在更高溫度下運行，從而提高熱效率，進而提升商業(yè)可行性。

先進核反應(yīng)堆中的燃料棒包殼、堆芯和堆芯結(jié)構(gòu)都是由GA-EMS的SiGA制造的，這是一種高科技CMC，可以承受目前反應(yīng)堆中使用的金屬部件的兩倍以上的溫度。

NCC 于 2023 年宣布，將其在該領(lǐng)域的專業(yè)知識投入到由英國原子能管理局（UKEA，位于阿賓登）領(lǐng)導(dǎo)的 HASTE-F 項目中，目標是在 SiC/SiC 反應(yīng)堆組件的制造 scalability（可擴展性）、可成型性和性能方面取得進展。

在美國，通用原子電磁系統(tǒng)公司（GA-EMS，位于加利福尼亞州圣地亞哥）也在開發(fā)碳化硅材料及碳化硅復(fù)合泡沫，用于核燃料棒包殼和聚變電廠的其他應(yīng)用。2024 年，該公司獲得了美國能源部科學(xué)辦公室的一份三年期合同，以開發(fā)這些材料的可擴展、具成本競爭力的制造路徑。

GA-EMS 報告稱，其 SiGA 高科技工程陶瓷基復(fù)合材料可制成復(fù)雜的平面、管狀和定制幾何形狀，且成品 SiGA 復(fù)合材料在高達 1600°C 以上的高溫輻照下仍能保持強度和穩(wěn)定性。

2024 年 10 月，GA-EMS 宣布已實現(xiàn)一個項目里程碑，初步開發(fā)了四個數(shù)字孿生性能模型，以支持其技術(shù)并加速認證和許可流程。2024 年 12 月，該公司報告稱，其 SiGA 燃料棒樣品在愛達荷國家實驗室（INL，位于美國愛達荷瀑布）成功完成了第一輪測試。

此外，CW 的加德納還報道了德國格斯特霍芬的 BJS 陶瓷與 BJS 復(fù)合材料公司。該公司生產(chǎn)自有品牌的碳化硅纖維 Silafil，并將該纖維和碳纖維用 Silafil 陶瓷前體聚合物作為基體進行滲透，以制造 Keraman 陶瓷基復(fù)合材料及零件。

盡管核聚變反應(yīng)堆在未來幾年可能還有很長的路要走，但復(fù)合材料的優(yōu)勢現(xiàn)在是、并將繼續(xù)是核能、可再生能源和傳統(tǒng)油氣能源應(yīng)用的關(guān)鍵推動因素。作為復(fù)合材料先進技術(shù)的展示平臺JEC展會是每一位復(fù)材人不可錯過的國際盛會，2026年中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會作為JEC官方合作伙伴，歡迎各位行業(yè)同仁與協(xié)會一起“走出去”，見證復(fù)合材料的先進技術(shù)在能源行業(yè)的新應(yīng)用。