與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電具有風(fēng)速大、資源豐富、不占耕地等顯著優(yōu)勢(shì)，將成為全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，海上風(fēng)電葉片將成為市場(chǎng)需求新增量。根據(jù)全球風(fēng)能協(xié)會(huì)全球海上風(fēng)電報(bào)告（2021），目前全球海上風(fēng)電裝機(jī)容量?jī)H僅達(dá)到2050年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)所需海上風(fēng)電裝機(jī)容量（2000 GW）的2%。未來10年，海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量將達(dá)到235 GW，約當(dāng)前市場(chǎng)規(guī)模的7倍。至2021年10月底，中國(guó)海上風(fēng)電裝機(jī)容量已超過英國(guó)，成為全球累計(jì)裝機(jī)容量最大的海上風(fēng)電市場(chǎng)。與陸上風(fēng)電環(huán)境相比，海上風(fēng)電環(huán)境更加復(fù)雜和嚴(yán)酷，主要體現(xiàn)在以下2點(diǎn)：

1）海面大氣區(qū)的高濕度高鹽度、飛濺區(qū)與潮差區(qū)的干濕交替、浸沒區(qū)的海水浸泡和海生物附著等更強(qiáng)腐蝕環(huán)境；

2）臺(tái)風(fēng)、海浪以及撞擊等。

1 高性能纖維復(fù)合材料

高性能纖維主要包括芳香族聚酰胺纖維、超高分子量聚乙烯纖維、聚苯硫醚纖維、聚酰亞胺纖維、碳纖維、陶瓷纖維、玄武巖纖維、硼纖維、氧化鋁纖維、非氧化物陶瓷纖維（SiC、SiBCN、SiCZr和SiCAl）等。基體主要包括環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂、氰酸酯樹脂、苯并噁嗪樹脂、聚酰亞胺、聚醚酰亞胺、芳炔樹脂、聚醚醚酮、聚醚酮酮、鈦合金等。增強(qiáng)方式主要包括纏繞工藝、注塑工藝、滾塑工藝、模壓成型工藝、樹脂傳遞模塑成型和增材制造（3D打?。┑?/p>

2 高性能纖維復(fù)合材料在海上風(fēng)電的應(yīng)用

2.1 風(fēng)電葉片

風(fēng)電葉片是風(fēng)電裝備的關(guān)鍵部件之一，其成本約占整個(gè)風(fēng)力發(fā)電裝備成本的20%。隨著近年來風(fēng)電技術(shù)的快速發(fā)展，風(fēng)機(jī)單機(jī)容量逐漸增大，風(fēng)電設(shè)備環(huán)境日益復(fù)雜及嚴(yán)峻，對(duì)風(fēng)電葉片的長(zhǎng)度、重量、性能和成本要求越來越高，葉片材料逐漸由單組分過渡到多組分、由玻璃纖維過渡到碳纖維及混雜纖維、由熱固性復(fù)合材料轉(zhuǎn)向熱塑性復(fù)合材料。我國(guó)于2020年量產(chǎn)應(yīng)用的90 m長(zhǎng)的碳纖維葉片，其重量降低10%，附加值比普通葉片高出20%。2022年12月，中國(guó)船舶集團(tuán)洛陽雙瑞風(fēng)電葉片有限公司順利下線SR260型葉片（見圖2），葉片長(zhǎng)260 m，葉片掃風(fēng)面積超過5.3萬平米，相當(dāng)于7.4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)面積，具備強(qiáng)勁的防雷電、抗腐蝕功能。德國(guó)Repower公司專為海洋風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)的5 MW風(fēng)機(jī)63 m葉片由碳纖及玻纖混雜而成，單片葉片質(zhì)量為18 t，年發(fā)電量約1.7×107 kW·h。

2.1.1風(fēng)電葉片的大型化趨勢(shì)

風(fēng)電葉片是捕獲風(fēng)能最重要的部件，葉片大型化已成為風(fēng)電行業(yè)的共識(shí)，是降低風(fēng)電成本的重要手段。在同等風(fēng)速情況下，葉片越長(zhǎng)，掃風(fēng)面積越大，能捕獲更多的風(fēng)能，發(fā)電量也相應(yīng)增大。單個(gè)陸上風(fēng)電機(jī)組發(fā)電功率由原來的 2～3 MW提高到 4～7 MW，單個(gè)海上風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電功率更是提升到 9～10 MW，甚至更大。隨著風(fēng)電機(jī)組功率的提升，葉片長(zhǎng)度隨之快速增長(zhǎng)，進(jìn)入“百米級(jí)時(shí)代”。2021 年 2 月，中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司10 MW 海上風(fēng)機(jī)正式下線，葉片長(zhǎng)度達(dá) 102 m，這是我國(guó)首個(gè)長(zhǎng)度超過百米的風(fēng)機(jī)葉片; 同年9月，上海電氣風(fēng)電集團(tuán)股份有限公司長(zhǎng)達(dá)102 m的海上風(fēng)電葉片問市。2022 年，我國(guó)連續(xù)下線大容量風(fēng)電機(jī)組，不斷刷新記錄，5月，浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司8～10 MW海上風(fēng)機(jī)葉片長(zhǎng)度達(dá) 110 m; 7月，明陽智慧能源集團(tuán)股份有限公司大兆瓦抗臺(tái)風(fēng)型海上風(fēng)機(jī)葉片長(zhǎng)達(dá) 115. 5 m; 9 月，風(fēng)電機(jī)組再度突破，海神平臺(tái)EW8. X－230 機(jī)組在山東渤中海上風(fēng)電項(xiàng)目中完成首臺(tái)安裝，葉片長(zhǎng)112 m，風(fēng)輪直徑達(dá)230 m，是全球已吊裝的最大風(fēng)輪直徑風(fēng)機(jī); 12月，全球最長(zhǎng)風(fēng)電葉片雙瑞SR260 成功下線，葉輪直徑達(dá) 260 m，該葉片將安裝在中國(guó)船舶集團(tuán)海裝股份有限公司即將下線的全球最大單機(jī)功率 18 MW 海上風(fēng)機(jī)機(jī)組中。

2.1.2風(fēng)電葉片的輕量化趨勢(shì)

通過使用碳纖維等輕質(zhì)高強(qiáng)材料，海上風(fēng)電葉片的重量得以減輕。輕量化不僅降低了葉片在運(yùn)輸和安裝過程中的成本和復(fù)雜性，還減輕了對(duì)風(fēng)電機(jī)組其他部件的壓力，延長(zhǎng)了整個(gè)設(shè)備的使用壽命。在滿足剛度和強(qiáng)度的前提下，碳纖維質(zhì)量比玻璃纖維材質(zhì)的葉片少30%以上，所以采用碳纖維材料制備的風(fēng)電葉片在保證葉片在長(zhǎng)度增加的同時(shí)，可以明顯減重，還能提高風(fēng)電葉片的耐候性。因此在超大型風(fēng)電機(jī)組葉片制造中，建議使用高性能碳纖維，在確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)避免葉片在風(fēng)載作用下發(fā)生變形。

2.1.3風(fēng)電葉片的高強(qiáng)化趨勢(shì)

風(fēng)電葉片通常需要在冷、熱、沙和海水侵蝕的惡劣環(huán)境中工作。除了主承重結(jié)構(gòu)的主梁區(qū)域外，在非承重或次承重結(jié)構(gòu)中使用碳纖維復(fù)合材料的需求尤為迫切。例如，為了提高葉片根部材料的斷裂強(qiáng)度和承載強(qiáng)度，降低施加在螺栓的動(dòng)載荷，德國(guó) Aerodyn Energiesysteme Gmbh公司在葉片根部使用了碳纖維復(fù)合材料。丹麥LM公司在葉尖中使用碳纖維復(fù)合材料，以降低葉片過度極化而導(dǎo)致的葉尖撞擊塔架的風(fēng)險(xiǎn)。LM公司在葉片的前緣和后緣部分使用碳纖維復(fù)合材料來調(diào)節(jié)葉片的固有頻率，從而有效防止雷擊造成的損壞。美國(guó)能源部開發(fā)了使用碳纖維復(fù)合材料作為蒙皮的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，實(shí)踐結(jié)果表明，它們可以減少作用在內(nèi)部支撐翼梁上的力和扭矩，并提高葉片表面強(qiáng)度和耐腐蝕性。

2.2 風(fēng)機(jī)導(dǎo)流罩

在風(fēng)電機(jī)組中，導(dǎo)流罩具有保護(hù)風(fēng)機(jī)裝置及減阻匯流的作用，海上風(fēng)電對(duì)導(dǎo)流罩防腐性能、剛度，高性能纖維復(fù)合材料在海上風(fēng)電的應(yīng)用強(qiáng)度及輕量化有強(qiáng)烈的需求。隨著風(fēng)機(jī)機(jī)型的持續(xù)增大，海上風(fēng)電對(duì)風(fēng)機(jī)導(dǎo)流罩的尺寸、運(yùn)輸、成本及綜合性能要求越來越高。風(fēng)機(jī)CFRP導(dǎo)流罩在滿足剛度性能的條件下，與風(fēng)機(jī)鋼制導(dǎo)流罩作對(duì)比，最大應(yīng)力降幅為24%，匯流風(fēng)量增幅為9.1%。

2.3 栓接連接件

海上風(fēng)電惡劣的腐蝕環(huán)境及復(fù)雜的載荷環(huán)境對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)錨桿組件、風(fēng)電葉片螺栓組件、混塔連接件等栓接連接件提出了更高的性能要求，常規(guī)金屬栓接連接件因有限的防腐性能而應(yīng)用受到限制。具有質(zhì)輕高強(qiáng)、耐腐蝕、抗疲勞、電氣絕緣等顯著優(yōu)勢(shì)的高性能纖維復(fù)合材料栓接連接件在海上風(fēng)電扮演著越來越重要的角色。現(xiàn)有高性能復(fù)合材料栓接連接件多為小規(guī)格（一般M20以下），通常利用高性能纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料及連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料等材料體系經(jīng)過熱拉擠成型、對(duì)模成型、機(jī)械加工、模壓成型、纏繞成型、三維編制、注塑成型和拉擠-纏繞成型等方式制備。復(fù)合材料栓接連接件的某些力學(xué)性能（如抗拉強(qiáng)度等）達(dá)到了常規(guī)金屬栓接連接件的性能要求，并有望突破尺寸及性能瓶頸。熊甲林利用纏繞-模壓成型法制備了碳纖維/ SE300氰酸酯樹脂M6螺栓（見圖3）。朱波等發(fā)明了由拉擠成型工藝-二次熱壓塑化加工的一種熱塑性復(fù)合材料螺栓（見圖4），包括熱塑性混雜纖維增強(qiáng)芯（厚度4 mm～6 mm）、表面熱塑性混雜纖維纏繞螺紋層（厚度2 mm～3 mm）。楊帆等發(fā)明了一種連續(xù)碳纖維復(fù)合材料螺栓（見圖5），以連續(xù)碳纖維T700作為增強(qiáng)體，以咪唑環(huán)氧樹脂作為基體制成預(yù)浸料，通過預(yù)浸料固化成型連續(xù)碳纖維復(fù)合材料M5、M6或M8六角頭螺栓。該復(fù)合材料螺栓和±45°/0°的碳纖維增強(qiáng)板配合時(shí)，單個(gè)M6螺栓的剪切力最大可達(dá)6.33 kN，界面剪切強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度及斷裂延伸率分別為 334.65 MPa 、 2 115.5 MPa 、1 415.5 MPa及1.32%。圖3 碳纖維/SE300 氰酸酯樹脂 M6 螺栓圖4 一種熱塑性復(fù)合材料螺栓的結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 其他應(yīng)用

在風(fēng)電運(yùn)維無人機(jī)方面，我國(guó)已達(dá)到世界領(lǐng)先水平，所用材料通常為國(guó)產(chǎn)碳纖維及碳纖維與玻璃纖維、芳酰胺纖維、超高分子量聚乙烯纖維、玄武巖纖維等纖維組成的混雜復(fù)合材料。中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第53研究所研制的復(fù)合材料連接軸具有高強(qiáng)度、高剛性和高疲勞強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)品綜合指標(biāo)達(dá)到或超過國(guó)外同類產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于1.0 MW和1.3 MW等不同風(fēng)力發(fā)電機(jī)。國(guó)網(wǎng)智能研究院通過高強(qiáng)度玻璃纖維混雜技術(shù)，研制了具有一定價(jià)格優(yōu)勢(shì)的高強(qiáng)度玻璃纖維/碳纖維混雜增強(qiáng)復(fù)合材料芯導(dǎo)線，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。