長(zhǎng)期以來，風(fēng)能一直被認(rèn)為是世界上最大的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料市場(chǎng)。因?yàn)楦蟮臏u輪機(jī)和更長(zhǎng)的風(fēng)電葉片的開發(fā)，需要更高性能、更輕重量的材料，碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)也在被逐步占領(lǐng)。

隨著世界各國(guó)政府和組織推動(dòng)新的和更嚴(yán)格的減排和可再生能源目標(biāo)，以海上風(fēng)能為首的可再生能源，在研發(fā)實(shí)驗(yàn)室和籌備的新項(xiàng)目中增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)強(qiáng)勁。

根據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)（Global Wind Energy Council，GWEC）在今年9月發(fā)布的年度全球海上風(fēng)電報(bào)告中強(qiáng)調(diào)，2020年海上風(fēng)電產(chǎn)能穩(wěn)步增長(zhǎng)，全球安裝量為6.1吉瓦，中國(guó)作為主導(dǎo)，貢獻(xiàn)了大部分的產(chǎn)能。然而，GWEC指出，要達(dá)到既定的碳排放目標(biāo)，海上風(fēng)電需要更快的增長(zhǎng)。

美國(guó)清潔能源協(xié)會(huì)表示（American Clean Power Assn，ACP），在美國(guó)，太陽能發(fā)電在籌備中的可再生能源規(guī)劃中占比最大，為54%，其次是陸上風(fēng)電（23%）、海上風(fēng)電（14%）和電池存儲(chǔ)（9%）。同時(shí)，根據(jù)ACP的2021年第二季度報(bào)告，目前美國(guó)有超過180吉瓦的總運(yùn)行清潔能源容量，今年上半年的清潔能源新增量與2020年同期相比增長(zhǎng)了17%。

在海上風(fēng)能方面，美國(guó)總統(tǒng)拜登計(jì)劃到2030年部署30吉瓦的海上風(fēng)能（高于目前美國(guó)運(yùn)行中的一個(gè)30兆瓦的海上風(fēng)電場(chǎng)）。2021年5月，拜登政府還批準(zhǔn)了美國(guó)海域的第一個(gè)大型海上風(fēng)電項(xiàng)目--位于馬薩諸塞州沿海800兆瓦的葡萄園風(fēng)能項(xiàng)目。ACP報(bào)告稱，預(yù)計(jì)到2026年，14個(gè)項(xiàng)目共9112兆瓦的海上風(fēng)能設(shè)備將投入使用。

此外，據(jù)《紐約時(shí)報(bào)》報(bào)道，10月13日，拜登宣布，將計(jì)劃沿著美國(guó)幾乎整個(gè)海岸線開發(fā)大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，作為政府第一個(gè)用海上渦輪機(jī)發(fā)電的長(zhǎng)期戰(zhàn)略。

重新構(gòu)想更長(zhǎng)的風(fēng)電葉片

風(fēng)力渦輪機(jī)的尺寸也在繼續(xù)增加。20多年前，第一個(gè)大規(guī)模的商業(yè)風(fēng)力發(fā)電上線時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)僅由額定功率為1兆瓦或更小的渦輪機(jī)組成，玻璃纖維增強(qiáng)的葉片通常在10至15米長(zhǎng)。今天，海上6至9兆瓦的渦輪機(jī)，其葉片長(zhǎng)65-80米，已成為標(biāo)準(zhǔn)。2021年，維斯塔斯宣布其15兆瓦、115米長(zhǎng)的葉片V236-15.0兆瓦用于海上風(fēng)電。第一臺(tái)預(yù)計(jì)將在2022年安裝。隨著渦輪機(jī)的發(fā)展，復(fù)合材料也越來越多地被納入其他部件中，如蘇茲蘭集團(tuán)（Suzlon Group）為大型渦輪機(jī)優(yōu)化的復(fù)合材料機(jī)艙蓋設(shè)計(jì)。

此外，隨著風(fēng)力渦輪機(jī)越來越大，葉片長(zhǎng)度不斷增加，作為風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的加固部件，改用碳纖維加固的葉片大梁已成為減少整體重量和增加葉片剛度的有效方法，可以防止在突如其來的大風(fēng)中發(fā)生塔架撞擊。

風(fēng)電葉片增材制造的創(chuàng)新之處

風(fēng)電葉片開發(fā)的新研究工作包括應(yīng)用增材制造（Additive Manufacturing,AM）于風(fēng)電葉片模具或最終使用的風(fēng)電葉片部件中。緬因大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料中心（University of Maine Advanced Structures and Composites Center，UMaine ASCC）已率先開展了生物基材料3D打印風(fēng)電葉片模具的項(xiàng)目。橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratories，ORNL）、通用電氣可再生能源公司和其他機(jī)構(gòu)也在進(jìn)行直接3D打印風(fēng)電葉片尖端的項(xiàng)目。

回收和再利用風(fēng)機(jī)葉片

該圖提供了在全球、美國(guó)和歐洲至2019年現(xiàn)有安裝的風(fēng)機(jī)葉片最大和最小噸位的估計(jì)。最大的估計(jì)是基于最短15年的服役壽命，以及較高14噸/兆瓦的葉片轉(zhuǎn)換系數(shù)。最小的估計(jì)是基于最長(zhǎng)30年的服役壽命，以及較低10噸/兆瓦的葉片轉(zhuǎn)換系數(shù)。預(yù)測(cè)結(jié)果是基于葉片總質(zhì)量

然而，隨著時(shí)間的推移，風(fēng)力渦輪機(jī)葉片會(huì)磨損或老化，因此必須進(jìn)行更換。作為回應(yīng)，行業(yè)內(nèi)部有越來越多的討論，關(guān)于如何處理、回收葉片廢料。幾個(gè)風(fēng)能行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者已經(jīng)宣布計(jì)劃逐步采用完全可回收的葉片和渦輪機(jī)。例如，西門子歌美颯在2021年7月宣布，它的目標(biāo)是重新設(shè)計(jì)所有的渦輪機(jī)，確保到2040年實(shí)現(xiàn)100%的可回收渦輪機(jī)市場(chǎng)。?rsted A/S在2021年6月宣布，計(jì)劃回收或再利用其全球范圍所有退役后的海上風(fēng)電葉片。維斯塔斯表示，它們將在2040年前生產(chǎn)出零廢棄的風(fēng)力渦輪機(jī)，而通用電氣可再生能源公司已與威立雅北美公司（Veolia North America，VNA）合作，回收通用電氣在美國(guó)的陸上風(fēng)機(jī)葉片。

整個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)供應(yīng)鏈必須承擔(dān)起責(zé)任，管理已達(dá)到服役期限的葉片，并制定解決方案。如果不這樣做，將不可避免地招致政府的監(jiān)管，而監(jiān)管可能不太考慮企業(yè)的感受。

風(fēng)力發(fā)電葉片的回收也是一個(gè)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和公司都在推進(jìn)的研發(fā)領(lǐng)域。2021年，在這一領(lǐng)域新宣布的研究項(xiàng)目包括熱固性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的循環(huán)經(jīng)濟(jì)（Circular Economy for Thermoset Epoxy Composites，CETEC）倡議，探索將風(fēng)機(jī)葉片材料回收為水泥等建筑材料。

另外，也有機(jī)構(gòu)在探索對(duì)整個(gè)葉片結(jié)構(gòu)的再利用，而不是將部件分解到其他地方再利用。回收公司Anmet已經(jīng)開發(fā)了將風(fēng)電葉片重新利用為人行橋甚至是家具的方法。

復(fù)合材料在其他可再生能源技術(shù)中的應(yīng)用

還有其他可再生能源部門也采用了復(fù)合材料。例如，在某些波浪能轉(zhuǎn)換器（Wave Energy Converters，WEC）在海洋能源技術(shù)發(fā)展中的應(yīng)用前進(jìn)廣闊，是一種利用海浪的運(yùn)動(dòng)來發(fā)電的裝置。2021年，CorPower Ocean建造了其纖維纏繞的玻璃鋼復(fù)合材料的第一個(gè)全尺寸浮標(biāo)形狀的波浪能轉(zhuǎn)換器原型，該公司希望在2025年之前將其擴(kuò)大為工業(yè)規(guī)模的海洋能源場(chǎng)。其他復(fù)合材料密集型（Composites-Intensive）的可再生能源技術(shù)包括潮汐渦輪機(jī)葉片、淡水水電渦輪機(jī)葉片，如Kinetic NRG開發(fā)的螺旋形設(shè)計(jì)。