风电叶片产业发展对化工 新材料提出更高要求
□ 中国复合材料集团有限公司董事长、总经理 张定金
新能源激发新产业
1风电装机快速增长
作为全球最具活力和发展潜力的可再生能源之一，风电产业一直受到世界各国的广泛关注。经过20多年的发
展，风力发电成本已下降90%。预计到2010年底，风电度电成本将降至3欧分，至2020年将降至2.34欧分，其
规模经济性将更加突出。近年来风电产业迅速扩张，据世界风能协会统计：近十年来全球风电年均新增装机增长率
超过30%，累计装机增长率超过25%；2009年全球风能市场则再创新高，新增风电装机3747万kW，累计装机已达
1.58亿kW，其市场主要分布在欧洲、北美和亚洲地区。截至2009年底，我国风电累计装机容量达到2510.4万kW，
占全球15.9％，居亚洲第一、世界第三（见图1、图2）。
2009年我国风电机组新增装机容量达到1300万kW，相比2008年增长率十分惊人，达到106.4%，在当年全球
新增装机市场份额中占34.7%，成为了世界上新增装机速度最快的国家之一。
欧洲风能协会和美国风能协会预测，未来10年，全球风能产业仍将保持平均两位数的高速增长态势，其中亚
洲的中国和北美洲的美国将继续成为全球最具增长潜力的地区。预计到2020年，世界风力发电能力将占世界发电
总能力的12%，达到12.61亿kW，从而有力地带动上游复合材料及相关产业的发展进步。
2国内叶片产业取得较大进步
目前，我国已经实现1.5MW及2MW风电机组以及与之配套的叶片的规模化生产。截至2009年底，我国境内的
风电机组叶片厂商超过了60家，其中，实力较强的风电叶片制造商主要是以LM、Vestas、Gamesa等为代表的外资
企业和以保定惠腾、中复连众、中材科技、天津东汽、国电、上海玻钢院等为代表的内资企业。预计2010年，各
大叶片生产商全部进入批量生产阶段后，年综合生产能力将达到2000万kW。
2009年我国自行研制的34台3MW风电机组已在上海东大海上风场并网发电，其中，中复连众为该项目提供了
26套海上风电叶片，占据近八成份额。今后3MW风机叶片发展空间巨大，并将有望成为风电叶片发展的主流。目
前，国产叶片价格较国际市场同类产品低15%～25%，成本优势明显但产品质量仍需进一步的改进。我国今后一段
时期对风电叶片的需求预测见表1。
3风机叶片向高端发展
（1）大型化 目前全球新增的装机容量中，MW级机组已超过了80％。据风电行业世界权威咨询机构BTM近期
发布的《世界风能发展》报告显示，2009年全球风电机组单机功率平均为1599kW，其中，我国平均容量为1360kW，
美国为1500kW，欧洲为2MW～3MW，与全球平均水平相比，我国还存在一些差距。全球风电设备制造业正在积极研
发更大容量，可靠性更高，具有智能性的新一代风电机组：Enercon公司的6MW、7MW风电机组已在德国和比利时
的风电场成功运行；GE公司的7MW机组，Vestas的6MW、10MW机组和我国的5MW的风电机组都正处于研发设计阶
段。
（2）智能化 由于风能资源丰富的地区往往也是天气变化多端的地区，出于对风电机组工作安全的考虑，为
了实现对叶片的实时监控，目前已经出现了将光纤监控技术用于复合材料叶片制造的技术，开发出了具有智能功能
的复合材料叶片，以便对叶片进行及时的调整、维护和保养，提高风电机组运行的可靠性。
（3）适合运输的分段式叶片 为了方便MW级叶片的道路运输，某些公司已经尝试开始分段制作叶片。例如，
德国Enercon公司的E126 6MW风电机组的叶片由内、外两段叶片组成，靠近叶根的内段由钢制造，外包玻璃钢壳
体形成气动形状表面。
（4）热塑性复合材料受到重视 目前使用的风电叶片几乎都是由热固性复合材料制造，很难自然降解，其废
弃物一般采用填埋、燃烧利用其热能或粉碎后做填料等方法处理。面对复合材料废弃物对环境造成的危害日益显现，
一些风电叶片制造商开始研究制造热塑性复合材料叶片，即“绿色叶片”。
根据有关资料介绍，如果采用热塑性复合材料叶片，每台大型风力发电机所用的叶片重量可以降低10%，抗冲
击性能大幅度提高，制造周期至少减少1/3，而且可以完全回收和再利用。但使用热塑性复合材料制造叶片的工艺
成本较高，成为限制热塑性复合材料用于风力发电叶片的关键问题。最近，爱尔兰Gaoth风能公司与日本三菱重工
和美国Cyclics公司正在联合开发低成本的热塑性复合材料叶片制造技术。
表1 我国风电叶片需求预测
年份 预计累计装机 新增风电装机 折合1.5MW 年平均叶片
容量(万kW) 容量(万kW) 叶片需求(套) 需求(套)
2010 4000 1500 10000 10000
2011～2020 18000 16500 110000 11000
叶片产业对化工新材料提出更高要求
通常状况下，3MW叶片重达十几吨，其重量的60%为纤维织物，25%～30%为树脂，此外还有少量轻木和PVC等
材料，由此可见，叶片产业的发展将对上游玻纤、碳纤、树脂等行业的发展起到了巨大的带动作用。现阶段国内
MW级叶片技术主要是通过生产许可证方式引进。为保证叶片设计寿命达到20年以上，叶片材料选择、性能测试、
叶型、结构和材料铺层设计、叶片模具和叶片制造工艺等都需要通过一整套标准规则和软件完成初步设计，并通过
GL论证，对原材料的选择和使用要求非常苛刻。
1复合材料叶片的主要原材料
●树脂基体：环氧、不饱和聚酯、乙烯基聚酯；
●增强材料：玻璃纤维/织物、碳纤维；
●胶粘剂：环氧类、聚氨酯类、聚酯类，其中大型叶片使用的胶粘剂一般为环氧型胶粘剂，工作温度较低的叶
片也可以采用聚氨酯型胶粘剂。
●表面材料：胶衣/涂料；
●芯材：轻木、刚性泡沫（PVC泡沫、PET/PBT泡沫）；
●螺栓：T-螺栓、预埋螺栓、粘接型螺栓等。
目前，小型叶片（＜22m）主要使用的增强材料为E-玻纤，树脂基体以不饱和聚酯为主，也可选用乙烯基聚酯
或环氧树脂；而较大型叶片（＞42m）主要使用的增强材料为碳纤维或碳纤/玻纤混杂材料，树脂基体以环氧树脂为
主。
2高性能基体树脂亟待国产化
德国对叶片所用的主要原材料提出了通过德国船级社认证的要求，需要通过GL认证的原材料主要有：①树脂/
胶衣；②增强材料；③粘接剂；④预浸料；⑤芯材。我国的通行做法是根据主机商的要求，叶片原材料需要通过
GL或中国船级社/建衡认证中心认证。
目前，国产环氧树脂还不能满足风电叶片的性能和工艺要求，国内MW级叶片所用的关键材料大部分依赖进口，
进入我国风电市场的环氧、不饱和聚酯树脂企业有亨斯迈、汉森、长濑、陶氏、巴斯夫、亚什兰、帝斯曼，大日本
油墨（DIC）和昭和等，目前国内大型叶片基本采用德国汉森的环氧树脂（全球最大环氧树脂厂家）的产品，价格
比普通产品高出1倍以上，对国内风电企业造成很大的成本压力。因此希望尽快研发或引进耐候性、抗老化性好的
环氧树脂如氢化双酚A型环氧树脂、脂肪族环氧树脂技术。
未来3年，国家“863”计划将重点支持：高性能真空灌注环氧树脂体系的研发及工程化研究；高性能环氧结
构胶结剂的研发及规模化生产技术；高性能叶片保护涂料的研发及规模化生产技术研究。材料国产化技术的突破，
将有力地推动MW级叶片材料的国产化。
3碳纤维将成为明星材料
叶片常用的增强材料有连续纤维（玻璃纤维/碳纤维，玻璃纤维直径≤19μm）、玻璃纤维毡（连续毡、表面毡）
和缝编织物等。国外MW级叶片主要采用抽真空灌注成型技术，要求增强材料对树脂的流动阻力小、浸润性好、机
械强度高、铺覆性好。由于无卷曲的多轴向缝编织物在导流、渗透、强度方面具有更多优越性，因而成为了叶片的
主要增强材料。目前进入国内的玻璃纤维企业有欧文斯康宁、PPG、圣戈班、JM、奥斯龙、ATM、赫氏公司等，以泡
沫夹芯材料用于叶片和造船著称全球的DIAB、Guryt等公司也在昆山、天津相继建厂。
目前，风力机组叶片普遍采用的是玻璃纤维增强-环氧树脂材料体系。然而，随着世界主流风力发电机的单机
装机容量越来越大，叶片也在朝大型化方向发展，为了捕获更多的风能，大部分的MW级叶片的长度超过30m，商
业运行叶片的最大长度已达61.5m。由于叶片重量与其长度几乎呈现立方增长关系，故随着叶片长度的增加，无论
是E-玻纤还是S-玻纤，单纯的玻纤增强材料已经很难满足叶片的设计要求。为了提高叶片的刚度，降低叶片的重
量，设计人员在2MW以上的大型叶片设计中采用了轻质高强的碳纤维材料。叶片常用的碳纤维主要是高强型，如：
小丝束的T600S、T700S，大丝束的P35等。目前，国内绝大部分碳纤维材料依赖国外进口，高性能碳纤维的大规
模工业化尚需时日。应用碳纤维制造叶片的风电企业概况见表2。
目前碳纤维作为增强材料在叶片中应用的主要部位有承力主梁、叶片根部。
碳纤维作为增强材料应用于大型风电机组叶片后，叶片和配套机组的主要性能参数均得以大幅提升，主要表现
为：
①叶片的刚度提高，重量降低 相比玻璃纤维，碳纤维的各项力学性能参数更加优异，用碳纤维作为增强材料
在叶片的关键受力部位使用，可大大减轻叶片重量。据报道，一组（3只）长56.5m的叶片，关键部位采用碳纤维
增强后，其重量比玻璃纤维材质减少15t左右。
②减轻整机重量，延长使用寿命 碳纤维叶片装配后能够有效减轻整机零部件的设计重量和载荷负担，延长服
役年限。相关统计表明，丹麦Vestas公司的V-90型3.0MW风电机组的配套叶片采用碳纤维增强，其整机（不包含
叶片）重量只有约70t，服役年限可达25年，而国内同功率采用玻璃纤维叶片装配的机组，其整机（不包含叶片）
重量却高达120t，服役年限最多只有20年，期间的维护成本也相对较高。
③输出功率更平滑稳定，机组负载和机组自重减轻，运行寿命延长 叶片关键受力部位使用碳纤维后会更加轻
便，且翼型边缘部分可大大提高因风向突然改变而造成的叶片瞬时负载承受力（抗剪切能力增强），有效改善其空
气动力学性能，方便风电机组功率的平滑稳定输出，提高了风能利用效率。
④降低风力机组的制造、运输及安装成本 目前大型风电机组（单机功率3MW及以上）在海上风电场上的应
用已越来越普遍。由于海上的作业环境十分复杂，设备运输及吊装的成本要比陆上高出许多。据不完全统计，海上
风电设备的吊装成本一般为陆地风场的2.17倍，若采用轻巧的碳纤维叶片配上大功率整机，其吊装成本会下降到
陆地风场1.7倍左右，这将会大大降低海上风电场的投资成本，提高发电效益。
由此可见，在大型叶片的关键受力部位采用碳纤维增强材料能有效发挥其优异性能。虽然碳纤维当前仍然是一
种较为昂贵的纤维材料，但是碳纤维在大型风力机组叶片中的不断推广应用已成为了一种不可改变的趋势。全球各
大叶片制造商正在从原材料、工艺技术、质量控制等各方面进行深入研究，以求降低成本，使碳纤维能在风力发电
上得到更多的应用。然而，国产碳纤维材料尚不能满足风电叶片制造需要，进口材料成本高昂。因此，我们希望国
产碳纤维产品实现突破，这将有力推动国产风电叶片产品竞争力的进一步提升。
表2 应用碳纤维制造叶片的风电企业概况
公司名称 主要叶形产品
LM Glassfiber 5MW，61.5m
Nordex Rotor 5MW，56m
Vestas Wind 3MW，44m
Gamesa 2MW，44m
4.5MW，62.5m
中复连众 2MW，39.2m