1. 簡介

隨著工業化進程的不斷推進，人類對煤炭、石油等不可再生資源的過度依賴和開發不斷加深，對全球性的氣候和生態系統造成了影響。為應對能源消費導致的二氧化碳高排放和全球變暖問題，世界各國于 2016 年簽署了《巴黎氣候協定》，目標將全球平均氣溫升幅與工業化前水平相比控制在 2℃以內，并努力將溫升限制在 1.5℃以內。作為世界上最大的能源消費國，中國在聯合國大會上承諾到 2030 年碳排放達到峰值，2060 年實現碳中和。但煤炭和石油在中國目前的能源結構中仍占主導地位，2020 年煤炭消費量占全球煤炭消費量的 55.5%，占全球二氧化碳排放量的 31.8%。2021年9月，由于煤炭價格高企、動力煤短缺、中國火電機組關停容量大等原因，東北地區出現了罕見的嚴重“限電”現象。低迷的能源結構難以支撐經濟的可持續發展。再加上中國正處于推進新型工業化、經濟轉型和產業升級的“十四五”階段，直接限制溫室氣體排放將增加能源成本，對經濟產生負面影響。為此，中國新能源法于2020年頒布，刻意強調要推動零碳能源。

風能是改善氣候與環境友好性、提升經濟競爭力的重要新能源，合理利用風能是解決當今世界能源短缺和全球環境問題的有效途徑之一。因此，發展可再生程度高的風能建設，推動風電產業快速發展已成為我國的當務之急。風電葉片是實現風能捕獲的主要部件，目前主要采用玻璃纖維復合材料或碳纖維復合材料制成。風電葉片通常在高原、山地、海洋等風資源密集的惡劣環境中運行。近年來，風電葉片重大事故頻發，葉片安全問題已成為制約大型葉片發展的關鍵瓶頸之一。碳纖維復合材料具有強度高、密度低、剛度大等優異特性，應用于大型葉片具有明顯的優勢。隨著中國風電產業的快速發展，碳纖維復合材料在大型風電葉片上的應用已成為必然趨勢。

然而，碳纖維復合材料在風電葉片上的應用仍面臨諸多問題，主要表現在以下幾個方面：首先，由于成本、制造技術等因素，碳纖維復合材料在風電葉片應用中的占比與國際水平還有一定差距；其次，我國獨特的風資源地理分布增加了對輕量化大型風電葉片的需求，但使用碳纖維復合材料葉片的經濟性和能源效率尚不明確；第三，我國目前碳纖維復合材料的產業框架存在供需不平衡的問題，導致采用碳纖維原材料制造的風電葉片主要依賴進口；第四，碳纖維復合材料葉片的制造技術尚處于探索階段，關鍵結構件的制備還不成熟；第五，碳纖維復合材料風電葉片的過量使用，將增加未來回收廢舊碳纖維風電葉片的成本，也限制了碳纖維復合材料在我國風電葉片中的應用占比。因此，迫切需要對我國風電行業采用的碳纖維復合材料風電葉片進行全面的經濟性和能源效率評估。

風電葉片為混合結構，主要包括蒙皮、翼梁蓋、腹板等結構單元，典型葉片剖面結構如圖1所示。其中，主翼梁區域組成的翼梁蓋和腹板是整個葉片的主要承載結構，負責控制葉片的整體剛度（變形性能）、極限強度（承載性能）和抗剪性能；蒙皮殼體的非承載或次承載結構主要用于形成葉片的氣動外形。

圖1. 風力渦輪機葉片結構圖。

風電葉片輕量化、大型化的發展需求，為碳纖維復合材料在風電葉片中的應用帶來了機遇。深圳市谷神產業研究有限公司指出，與玻璃纖維復合材料葉片相比，采用碳纖維復合材料制成的風電葉片具有優異的綜合力學性能，但也存在一定的缺點，如表1所示。目前，碳纖維復合材料在風電葉片中應用最關鍵的部位是主梁區域。與玻璃纖維復合材料的主梁相比，采用碳纖維復合材料制成的主梁可以提高葉片剛度，同時顯著減輕葉片質量。但考慮到碳纖維復合材料較高的經濟成本，在國內，大多數風電企業仍采用傳統的玻璃纖維復合材料制作風電葉片，僅有南通中泰、中復聯眾、中材科技等少數風電企業在主梁區域采用碳纖維復合材料。其原因主要有以下兩點。一方面，碳纖維復合材料相較于玻璃纖維復合材料的成本較高；另一方面，用碳纖維復合材料制造超大型葉片的技術還不夠成熟，制造工藝和安裝后的維護也存在問題。

中國氣象局估計，中國平均風能密度為100W/m2，總風能儲量約1.6×105MW。東南沿海及其周邊島嶼、內蒙古、甘肅走廊、東北、西北、華北和青藏高原等地區年均風速超過3米/秒的有近4000小時，其中部分地區年平均風速可達6～7米/秒以上，中國在開發利用風能方面很有前景。另外，中國擁有2萬公里長的海岸線，具備建設大型沿海或海上風電場的條件。中國風能密度分布如圖2所示。根據風能密度和風速，中國主要風資源的地理分布可分為四個區域：東南沿海及其島嶼；內蒙古及甘肅北部，黑龍江、吉林東部及遼東半島海域，青藏高原北部：三北地區（東北、華北北部和西北地區）及沿海。

圖2. 中國風能資源地理分布

中國最大的風能資源區是東南沿海及其島嶼，有效風能密度大于或等于200 W/m2的等值線與海岸線平行，沿海島嶼風能密度在300 W/m 2以上，有效風速出現時間百分比達80%~90%，每年約有7000~8000小時出現8 m/s 以上的風速，6 m/s 以上的風速也有4000小時左右。此外，該地區海上風能比陸上風能更均勻、更可利用。內蒙古、甘肅北部、新疆北部地區常年受西風帶控制，風能密度多為200~300 W/m 2，有效風時間百分比約為70%，每年風速大于或等于3 m/s的次數在5 000小時以上，風速大于或等于6 m/s的次數在2 000小時以上；東北三省（黑龍江、吉林東部、遼東半島沿海）風能密度均在200 W/m 2以上，風速大于或等于3 m/s的年累計次數為5 000~7 000小時，6 m/s的年累計次數為3 000小時。風速大于等于3米/秒的年累計時間約為4000～5000小時，風速大于等于6米/秒的年累計時間超過3000小時，這四個地區風能資源十分豐富，目前已建成多座風電場，風電產業發展前景廣闊。

上述四個典型風資源聚集區中，最具代表性的風電場為廣東南澳海上風電場、內蒙古輝騰錫勒風電場、吉林白城風電場、青藏高原茫崖風電場。這些代表性風電場一年內有效風能密度及風速超過6m/s的時間分布如圖3所示。

圖3 各地區典型風電場風資源分布。

其中，位于臺灣海峽喇叭口西南端的南澳風電場，風資源尤為豐富，年平均風速大于或等于6米/秒的年累計時間約有4000小時，該風電場近海區域已安裝約6MW風電機組，該風電場沿海區域有效風能密度達1101W/m 2，風況屬世界最佳。

內蒙古烏蘭察布市有效風電場面積6828平方公里技術，可開發容量68000MW，其中位于內蒙古高原的烏蘭察布市輝騰錫勒風電場已安裝約4.5MW風電機組，風速大于等于6m/s的年發生次數超過2000小時，有效風能密度為662W/m 2。

吉林省白城市可開發風能面積6865平方公里，裝機容量2280萬千瓦，該市向陽風電場已安裝3.3兆瓦風電機組。據氣象專家介紹，白城市風電年總發電量20.76萬千瓦時，風速大于或等于6米/秒的年累計時間約3000小時，有效風能密度348瓦/平米。

青藏高原風能密度較低，但這并沒有阻礙中國風電企業的發展。青藏高原茫崖風電場每年累計風速大于或等于6m/s的年累計時間約為3000h，有效風能密度為284W/m2，安裝2.5MW風電機組。在金山與青藏高原交界處，平均海拔3000m，中國株洲車輛公司的1.5WM型風電機組已并網發電。這四個風電場地理位置差異很大，風能條件也各有不同，是中國最具代表性的風電場。

中國風能資源獨特的地理分布特征，為風能的綜合開發利用積累了有利條件。風電行業的快速增長逐步帶動了葉片的大型化發展，但不同地理分布區域的風能參數與大型葉片效益之間的關系尚不明確，因此需要進一步分析碳纖維在風電葉片中應用所帶來的重量、碳足跡、內涵能量和成本的變化。

4.1. 能源效率與經濟性分析與評價

根據我國風資源地理分布特點，依據能源效率與經濟性模型對不同風資源區的典型代表風電場進行分析，各區域典型風電場相關的風資源特性及對應的風電機組參數如表2所示。此外，為評估采用碳纖維復合材料對大型葉片盈利能力的影響，在模型計算的基準葉片長度基礎上，分別將葉片尺寸增加20m和40m，進行了能源效率與經濟性的對比分析與評估。

圖4為計算得到的4個典型代表風電場的風頻率圖，可以看出，青藏高原的茫崖風電場和吉林省白城風電場的風速大部分時間都較小，小于10m/s；而內蒙古輝騰錫勒風電場和廣東南澳風電場的風速在一年中大于10m/s的時間較多，說明這兩個風電場的風資源較為豐富。

圖4. 不同區域風電場風頻率圖。

根據風頻圖可計算出茫崖風電場、白城風電場、輝騰錫勒風電場、南澳風電場的有效風能小時數分別為7703h、7776h、7972h、8088h。同時計算出不同風資源區典型風電場不同葉片長度的能效比，如圖5所示。

圖5 不同地區增加葉片長度后能源效率對比：（a）廣東南澳；（b）內蒙古輝騰錫勒；（c）吉林白城；（d）青藏高原芒牙。注：南澳、輝騰錫勒、白城、青藏高原上網電價分別為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）。

以南澳海上風電場6MW風機為例，如果將40m長的葉片換成80m長的葉片，每臺風機的年發電量將增加100%。而且，由于在不增加葉片長度的情況下，基數年發電量較高，因此增加葉片長度后的年發電增益更高。同時，由于國家對海上風電項目的支持，海上風電的上網電價很高，理論上每臺風機年可增加184萬美元收益。另外，南澳風電場靠近海岸，海域條件惡劣，風機葉片中采用高強度、耐腐蝕的碳纖維復合材料可延長其使用壽命，因此非常適合在該地區安裝大型碳纖維復合材料葉片。

輝騰錫勒風電場4.5MW風機，葉片長度增加40m后，年發電量增加87%，年基礎發電量也較高，但由于該地區上網電價較低，雖然發電量較高，但收益并不是特別高。

吉林省白城市向陽風電場，葉片長度增加40m后，年發電量增加82%，但由于平均風速低，且受單機容量小的影響，年基本發電量較低，因此前兩個風電場增加葉片長度后發電量相對較低，但不同風資源區上網電價不同，雖然發電量遠低于輝騰錫勒風電場，但收益相差不大。

對于青藏高原的茫崖風電場，葉片長度增加40m，風電機組單機發電量可增加89%。同樣，由于平均風速低、海拔高、單機容量小等因素的影響，單機年發電量比其他風電場要低得多。但是由于有上網電價的支持，收益也很可觀。但是該地區海拔過高，導致大型風電葉片的運輸和安裝成本很高，發電量較低。因此，大型風電葉片在茫崖風電場的適用性可能并不理想。

綜上所述，在不同地區可以發現，風力發電機葉片越長，在相同額定功率下，年發電量越高，收益越可觀。葉片越長，在風力發電機相同功率下，額定風速越低，則在低風速下可獲得更高的功率，增加總發電量。但葉片越長，制造工藝越復雜，而且運輸時需要的轉彎半徑越大，對道路寬度和海上運輸船只的要求越高，增加運輸成本。另外，隨著葉片長度的增加，玻纖葉片的質量會大幅增加。因此，采用碳纖維復合材料制造大型風力發電機葉片，減輕其質量，提高其強度和使用壽命，具有重要的經濟意義和應用價值。

目前，我國在碳纖維復合材料制造大型風電葉片方面，經濟性和能源效率的權衡還不夠明確，因此，國內采用碳纖維復合材料制造大型風電葉片的企業相對較少。下面以我國不同地區的四個典型風電場為例，從葉片規模、材料選擇等方面進行經濟性分析。經濟性和能源效率對比結果如圖6所示。

圖6 碳纖維葉片與傳統玻璃纖維葉片經濟性對比 注：僅考慮材料采購成本，未考慮碳纖維復合材料的加工難度、運輸、儲存、進口稅率等成本，僅考慮風電葉片中心部位的材料質量。

當葉片主梁部分采用環氧/HS、其余部分為玻纖復合材料時，葉片成本最高，約為傳統玻纖葉片的80%，但碳足跡和體現性能最低，質量降至傳統玻纖葉片的35%左右。當主梁部分采用PEEK/IM碳纖維復合材料、其余部分為玻纖復合材料時，葉片質量最高，但成本、碳足跡和體現性能相對較低，與傳統純玻纖復合材料葉片相比，質量和成本分別降低約60%和20%。但隨著葉片長度的增加，這種降低的比例越來越少，例如，當葉片增加40m時，質量和成本的降低比例都只下降3%。當主翼梁采用碳纖維復合材料，其余部分采用玻璃纖維復合材料時，與傳統純玻璃纖維復合材料葉片相比，碳足跡和隱含能量增加60%~80%。但同樣，隨著葉片長度的增加，這種增加的比例越來越少。例如，當葉片長度增加40 m時，碳足跡和隱含能量增加的比例減少了2%~5%。

全環氧/HS碳纖維復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最高，分別提升了92%和67%。全葉片采用PEEK/IM碳纖維復合材料時，葉片質量最低，僅為傳統純玻纖復合材料葉片的24%左右，但在降低成本、碳足跡、體現性能方面的優勢相對不足。

綜上所述，與傳統玻璃纖維復合材料風電葉片相比，碳纖維復合材料風電葉片可以大幅降低質量和材料成本，但體現能源和碳足跡卻有所增加。雖然單片葉片的碳足跡和體現能源大幅增加，但高強度、低質量、耐腐蝕的碳纖維風電葉片可以通過增加使用壽命、延長運行時間、減少維護等方式帶來更高的經濟收益。而且，雖然不同地區的風資源情況存在差異，但計算結果不受環境影響。這表明，在我國不同風資源區使用碳纖維復合材料風電葉片的經濟性基本相同。這將為我國碳纖維復合材料風電葉片的全面推廣提供一定的參考。