碳纖維應(yīng)用對大型風(fēng)力機(jī)葉片全生命周期碳排放的影響

摘" 要：大型風(fēng)力機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心部件，碳纖維具有密度小、強(qiáng)度高的優(yōu)勢，正在逐漸取代傳統(tǒng)的玻璃纖維復(fù)合材料成為大型風(fēng)力機(jī)葉片制造的主要材料。風(fēng)力機(jī)葉片的生命周期碳排放主要來源于生產(chǎn)過程中的原材料，經(jīng)測算，在采用碳纖維代替玻璃纖維作為風(fēng)力機(jī)葉片主材料后，主流4 MW和6 MW風(fēng)力機(jī)葉片碳纖維用量達(dá)12～18 t，由原材料使用導(dǎo)致的碳排放達(dá)240～360 t，風(fēng)力機(jī)葉片整體減重15%～20%，綜合考慮可降低風(fēng)力發(fā)電全生命周期的碳排放。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)葉片；碳纖維；碳排放；全生命周期；風(fēng)力發(fā)電

中圖分類號：TK83" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）01-0049-04

Abstract： Large wind turbine blades are the core components of wind turbines. Carbon fiber has the advantage of low density and high strength， and is gradually replacing traditional glass fiber composite materials as the main material for the manufacturing of large wind turbine blades. The life cycle carbon emissions of wind turbine blades mainly come from raw materials in the production process. It is estimated that after using carbon fiber instead of glass fiber as the main material of wind turbine blades， the carbon fiber consumption of mainstream 4 MW and 6 MW wind turbine blades reaches 12～18 tons， the carbon emissions caused by the use of raw materials reach 240～360 tons， and the overall weight reduction of wind turbine blades is 15%～20%， which is expected to reduce the carbon emissions of the life cycle of wind power generation.

Keywords： wind turbine blades; carbon fiber; carbon emission; life cycle; wind power generation

風(fēng)力發(fā)電不同于常規(guī)發(fā)電方法，不需要消耗煤或者天然氣等化石燃料，因此認(rèn)為發(fā)電過程中沒有二氧化碳的排放，但是，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的各個(gè)部件在生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝和報(bào)廢回收的階段需要能量和原材料的輸入和輸出，伴隨著二氧化碳和其他污染物的排放。風(fēng)力機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電的核心部件，占到整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總成本的15%～20%，隨著風(fēng)力機(jī)大型化，風(fēng)力機(jī)葉片長度達(dá)到百米級別，密度更小、強(qiáng)度更高的碳纖維逐漸會取代玻璃纖維成為大型風(fēng)力機(jī)葉片的主材料。目前我國風(fēng)力機(jī)葉片在全球的市場占有率達(dá)到60%[1]，處于國際領(lǐng)先地位，但是歐美發(fā)達(dá)國家制定了嚴(yán)格的碳足跡壁壘，嚴(yán)重削弱了我國風(fēng)電設(shè)備的競爭力，同時(shí)作為風(fēng)力機(jī)葉片主材料的碳纖維主要由美國卓爾、德國SGL和日本東麗供應(yīng)，國內(nèi)供應(yīng)商在產(chǎn)品質(zhì)量、成本等方面暫時(shí)無法滿足行業(yè)需求，因此，研究風(fēng)力機(jī)葉片的全生命周期碳排放，對于打破國外碳足跡壁壘，同時(shí)促進(jìn)國內(nèi)碳纖維生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新具有重要意義。

1" 風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)特征和主要用料成分

風(fēng)力機(jī)葉片是風(fēng)力機(jī)捕集風(fēng)能，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的核心部件，葉片的結(jié)構(gòu)主要由主梁、蒙皮、加強(qiáng)腹板以及前緣和尾緣加強(qiáng)部分組成，其中主梁一般位于葉片的前緣部位，承載了葉片絕大部分受力，目前主要由玻璃纖維或碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料制成；蒙皮一般由多層的玻璃纖維或碳纖維擠壓或真空灌注而成，保持了葉片復(fù)雜的空氣動(dòng)力外形，需要抵抗不同天氣條件下的腐蝕和磨損的影響；腹板用于葉片在蒙皮厚度上的加強(qiáng)，主要由巴沙木制成，用以提高葉片的剛度，降低葉片質(zhì)量；前緣和尾緣的加強(qiáng)部分主要為了強(qiáng)化葉片前緣的耐磨程度和尾緣的氣動(dòng)外形特征。風(fēng)力機(jī)葉片不同部位的材料需要根據(jù)不同部件的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行選擇，其中玻璃纖維和碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料是目前大型風(fēng)力葉片制造中應(yīng)用最多的材料，風(fēng)力發(fā)電本身不產(chǎn)生碳排放，但是風(fēng)力機(jī)葉片等部件在生產(chǎn)時(shí)需要消耗物料、電力、燃料等，尤其是當(dāng)采用高耗能高碳排放的原材料時(shí)，會造成風(fēng)力機(jī)碳足跡的增加，對我國風(fēng)力機(jī)葉片產(chǎn)業(yè)的競爭力造成一定影響。風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)及主要材料如圖1所示。

隨著風(fēng)力機(jī)的大型化，風(fēng)力機(jī)葉片的長度逐漸增加，重量也迅速增加，據(jù)統(tǒng)計(jì)，1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片長度為34～42 m，葉片重量為6 t，2～3 MW風(fēng)力機(jī)葉片長度為60 m，重量達(dá)到12～15 t，4～6 MW風(fēng)力機(jī)葉片長度約為80 m，重量為25～40 t左右，大型海上風(fēng)力機(jī)容量達(dá)到18 MW，相應(yīng)葉片長度達(dá)到140 m，重量達(dá)到80 t以上，因此，葉片重量的增加速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于葉片長度[2]。玻璃纖維的剛度和強(qiáng)度不能滿足葉片的設(shè)計(jì)要求，密度更輕、強(qiáng)度更高的碳纖維成為最佳替代，但是碳纖維是高耗能高碳排放的產(chǎn)品，碳纖維的使用對風(fēng)力機(jī)葉片的生命周期碳排放的研究目前處于空白狀態(tài)。

2" 碳纖維在大型風(fēng)力機(jī)葉片中應(yīng)用的優(yōu)勢

2.1" 碳纖維生產(chǎn)工藝過程和能耗分析

碳纖維生產(chǎn)工藝主要包括聚丙烯腈原料的準(zhǔn)備，然后將纖維原液經(jīng)過噴頭噴絲，經(jīng)過凝固浴的冷卻固化，形成聚丙烯腈原絲纖維，然后在200～300 ℃的環(huán)境下進(jìn)行預(yù)氧化處理，形成預(yù)氧化絲結(jié)構(gòu)，同時(shí)提高熱穩(wěn)定性，然后在1 000～2 000 ℃的惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行碳化，去除原絲纖維中的氫、氮等非碳元素，使得碳纖維中的含碳量達(dá)到90%以上，之后將碳纖維在2 000～3 000 ℃環(huán)境中加熱，提高其結(jié)晶度和石墨化度，形成石墨纖維結(jié)構(gòu)，之后對碳纖維進(jìn)行表面處理，清楚纖維表面的污染物，增加表面積和粗糙度，改善與環(huán)氧樹脂等基體的黏結(jié)性能，最后進(jìn)行表面上漿和干燥處理，完成碳纖維的生產(chǎn)[3]。

碳纖維生產(chǎn)過程中，能耗較高的環(huán)節(jié)主要有3個(gè)：首先聚丙烯腈原絲制備階段的丙烯腈聚合和紡絲能耗較高；其次碳化階段的原絲預(yù)氧化、碳化石墨化等需要高溫環(huán)境，能耗較高；最后整個(gè)碳纖維生產(chǎn)過程中電量消耗也非常大。采用微波加熱技術(shù)和生物衍生化學(xué)物質(zhì)的方法，可以有效降低碳纖維能耗。根據(jù)日本碳纖維制造商協(xié)會（Japan Carbon Fiber Manufacturers Association， JCMA）2022年發(fā)布的碳纖維生命周期清單，制造1 kg聚丙烯腈基高強(qiáng)度碳纖維，所需的一次能源消耗量為318.2 MJ，排放的二氧化碳為20 kg/kg碳纖維，NOX為0.035 3 kg/kg碳纖維和SOX為0.016 1 kg/kg碳纖維[4]。

2.2" 碳纖維復(fù)合材料與其他材料的性能對比分析

風(fēng)力機(jī)大型化設(shè)計(jì)使得其長度和重量也大幅增加，對材料的比模量和比強(qiáng)度的要求更為嚴(yán)格，表1[5]是風(fēng)力機(jī)常用原料的性能參數(shù)。

碳纖維的密度是玻璃纖維的75%，是鋁合金的54%，比強(qiáng)度是玻璃纖維的2.3倍，是鋁合金的22倍，比模量是玻璃纖維的3.6倍，是鋁合金的5.9倍。生產(chǎn)1 kg碳纖維的單位碳排放量為20 kg CO2，是玻璃纖維的20倍左右，是鋁合金的1.5倍左右，碳纖維具備密度低、強(qiáng)度大的優(yōu)勢，但同時(shí)也具備高耗能、高碳排放和高成本的不利之處。

3" 碳纖維的應(yīng)用對風(fēng)力機(jī)葉片碳排放的影響

碳纖維目前主要應(yīng)用在大型風(fēng)力機(jī)葉片的主梁，即結(jié)構(gòu)梁部位，是風(fēng)力機(jī)葉片主要承載結(jié)構(gòu)，需要承擔(dān)的載荷包括風(fēng)載荷、葉片自重和風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)的疲勞載荷等；其次，碳纖維可以應(yīng)用在葉根部位，連接葉片和輪轂，承載葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的離心力、葉片擺動(dòng)的扭轉(zhuǎn)力矩和變槳距系統(tǒng)的力矩等；最后碳纖維可應(yīng)用于風(fēng)力機(jī)葉片的蒙皮，較高的耐腐蝕能力可以承受自然界的風(fēng)沙磨損和酸雨腐蝕等。

3.1" 碳纖維葉片成型工藝

風(fēng)力機(jī)葉片的成型是葉片制造過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要包括手糊成型、真空灌注和拉擠成型，其中拉擠工藝性能及材料利用率顯著優(yōu)于手糊成型和真空灌注工藝，且相關(guān)的專利壁壘也于2020年到期，逐步成為葉片生產(chǎn)工藝的主流。在拉擠成型工藝中，碳纖維或者玻璃纖維增強(qiáng)材料在垃圾設(shè)備的牽引力作用下，在浸膠槽中被充分浸漬后，經(jīng)過預(yù)成型的風(fēng)力機(jī)葉片模板導(dǎo)向定型后，在高溫的金屬模具中進(jìn)行固化，得到表面光滑的風(fēng)力機(jī)葉片。據(jù)中材科技測算，采用拉擠成型工藝后，碳纖維主梁拉伸模量提升了25%，強(qiáng)度提高了42%[6]。

隨著葉片長度和重量的增加，玻璃纖維的強(qiáng)度和剛度指標(biāo)已經(jīng)不能滿足風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)要求，比強(qiáng)度和比模量更高的碳纖維代替玻璃纖維成為葉片主梁的材料成為必然，目前在10 MW以上的風(fēng)力機(jī)中，葉片長度達(dá)到120 m以上的主梁材料已經(jīng)100%采用碳纖維，預(yù)計(jì)未來碳纖維會逐漸在葉根、蒙皮等部位應(yīng)用，且應(yīng)用會越來越廣泛，為碳纖維的應(yīng)用提供了廣闊的空間[7]。

3.2" 碳纖維葉片減排效果分析

目前生產(chǎn)1 kg碳纖維要排放20 kg CO2，消耗350 MJ的能量，根據(jù)生命周期清單分析，采用微波加熱技術(shù)可以將碳纖維生產(chǎn)能耗降低75%，成本降低20%，采用生物基開發(fā)丙烯腈，使用光電風(fēng)能等可再生能源生產(chǎn)碳纖維，可大幅度降低原材料供應(yīng)和工藝產(chǎn)生過程的碳排放，另外解決風(fēng)力機(jī)葉片的報(bào)廢和回收再利用，是降低碳纖維生命周期碳排放和實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電零碳排放的重要步驟。

當(dāng)前市場上，玻璃纖維是風(fēng)電葉片的主要材料，約占整個(gè)風(fēng)力機(jī)葉片重量的40%～70%，對于主流的4 MW和6 MW風(fēng)力機(jī)，葉片長度約為80 m，重量為25～40 t，玻璃纖維的強(qiáng)度和剛度基本達(dá)不到葉片的設(shè)計(jì)要求，采用碳纖維作為葉片主梁和部分重要部位的材料，可以有效保證葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，同時(shí)降低葉片12%以上的重量，單只葉片的碳纖維用量達(dá)到4～6 t，整臺風(fēng)力機(jī)葉片碳纖維用量達(dá)到12～18 t，由原材料碳纖維輸入造成的碳排放量達(dá)到240～360 t。同樣條件下使用玻璃纖維的風(fēng)力機(jī)葉片碳排放量為90 t左右，對比顯示采用碳纖維替代玻璃纖維作為風(fēng)力機(jī)主梁和關(guān)鍵部件主材料，將會增加葉片生命周期的碳排放150～270 t，但是，采用碳纖維之后，降低了風(fēng)力機(jī)葉片的總重量，使得傳遞到風(fēng)力機(jī)主軸上的載荷大幅降低，為設(shè)計(jì)輪轂、塔筒和基礎(chǔ)等部件提供方便，可整體降低風(fēng)力機(jī)15%～20%的總重量，降低風(fēng)力機(jī)成本15%左右，同時(shí)葉片重量減輕后，風(fēng)力機(jī)在低風(fēng)速下也能正常運(yùn)行，顯著提高了風(fēng)力機(jī)的發(fā)電效率，增加了風(fēng)力機(jī)生命周期的發(fā)電量，碳纖維的大量使用還可以延長風(fēng)力機(jī)的使用壽命，減少對葉片的維修和更換數(shù)量，降低了維修成本。綜上所述，雖然碳纖維作為風(fēng)力機(jī)葉片原材料本身具有高能耗和高排放的特點(diǎn)，會增加葉片制造過程中的碳排放，但是由于碳纖維密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕和抗疲勞性的特點(diǎn)，提高了風(fēng)力機(jī)的發(fā)電效率和使用壽命，使得整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在全生命周期內(nèi)的單位發(fā)電量碳排放得到顯著降低，度電成本也顯著下降。

4" 碳纖維在大型風(fēng)力機(jī)葉片中的應(yīng)用前景

為了制造出更大、更長的風(fēng)力機(jī)葉片，碳纖維必將逐步取代玻璃纖維成為風(fēng)力機(jī)葉片的主要材料，從而大幅度降低葉片重量，提高風(fēng)力機(jī)葉片捕集風(fēng)能的能力，提高發(fā)電效率，降低風(fēng)力機(jī)的單位度電成本，在總體上降低風(fēng)力發(fā)電全生命周期的碳排放。

目前風(fēng)力機(jī)葉片回收利用處于初級階段，玻璃纖維和碳纖維的廢物再利用幾乎為零，處理方式主要采用機(jī)械破碎和物理填埋，增加了風(fēng)力發(fā)電的碳足跡，而可再生碳纖維的研發(fā)和應(yīng)用可以促進(jìn)碳纖維葉片零碳排放或負(fù)碳排放回收和資源再利用，從而大幅度降低葉片全生命周期碳排放量，打破國外的碳足跡貿(mào)易壁壘。我國具備碳纖維的全產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢，通過提高國產(chǎn)碳纖維的生產(chǎn)能力，開發(fā)生產(chǎn)新工藝，可使國產(chǎn)碳纖維在性能和質(zhì)量上達(dá)到國際領(lǐng)先水平，同時(shí)降低碳纖維生產(chǎn)成本，可以降低大型風(fēng)力機(jī)葉片整體費(fèi)用，有助于碳纖維在風(fēng)力機(jī)葉片制造領(lǐng)域的大規(guī)模利用。

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