大兆瓦级水平轴风力发电机叶片的设计思路和研究进展

Design Ideas and Research Progress of Large Megawatt Level Horizontal Axis Wind Turbine Blades

摘要

针对风电机组单机容量提升所带来的叶片大型化趋势，为综合权衡超长叶片在运输物流、气动效率、结构拓扑、轻量化需求及服役寿命等方面的相互制约与设计矛盾，本文聚焦大兆瓦级叶片研发中的关键技术瓶颈与设计难点，系统探讨了自适应叶片、仿生叶片及分段式叶片的结构设计方法，并进一步阐述了面向功率最大化的气动外形设计以及面向可持续发展的可回收材料设计理念．研究成果可解决大型化叶片在开发、运输、降噪、运维等环节的关键问题，提升其寿命周期性能、实现梯级利用与绿色回收，以及推动新型智能材料、生物基材料与可生物降解材料的应用提供理论依据与技术参考，对实现降本增效具有指导意义．

Abstract

In order to comprehensively weigh the mutual constraints and design contradictions of ultra-long blades in transportation logistics, aerodynamic efficiency, structural topology, lightweight demand and service life, this paper focuses on the key technical bottlenecks and design difficulties in the research and development of large megawatt blades, systematically discusses the structural design methods of adaptive blades, bionic blades and segmented blades, and further expounds the aerodynamic shape design for power maximization and the design concept of recyclable materials for sustainable development. The research results can provide theoretical basis and technical reference for solving the key problems of large-scale blades in development, transportation, noise reduction, operation and maintenance, improving their life cycle performance, realizing cascade utilization and green recycling, and promoting the application of new intelligent materials, bio-based materials and biodegradable materials, and have guiding significance for realizing cost reduction and efficiency increase.

Graphical abstract

关键词

自适应结构 / 仿生型结构 / 分段式叶片 / 降噪 / 延寿

Key words

adaptive structure / biomimetic structure / segmented blade / noise reduction / extend lifespan

1 大兆瓦级叶片设计中的关键问题和难点

随着低碳、零碳电力技术需求持续增长，风力发电产业进入高速发展阶段.延长机组服役寿命、设计高性能结构及降低单位质量的可降解材料是降低风电场全生命周期度电成本的重要方法．降低单位容量机组成本，减少投资成本和运营成本，提高土地及海域使用效率，对于提高风力发电的经济性和竞争力具有重要意义．海陆机组大型化进程再提速，陆上机组单机容量达到15 MW，18 MW海上风电机组实现并网发电，20 MW海上风电机组完成下线，25 MW风电机组正处于研发阶段．伴随叶片长度的持续增加，明阳智能18 MW抗台风型海上风电机组叶片达143 m．国家发展改革委和国家能源局发布的《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》^［1］，将100 m及以上叶片作为风电技术未来创新的重点突破目标，若继续采用传统结构的叶片设计、生产和运维方式，将造成成本急剧增加，经济效益严重受损．

1.1 大型化叶片引发的成本与效益失衡问题

随着风电装备向大容量与长叶片加速演进，配套叶片长度已经超越140 m．若延续传统结构设计、制造工艺与运维模式，叶片质量与极限荷载将呈非线性攀升，制造成本、运输费用及运维难度显著增加，削弱单机容量提升带来的规模经济性，制约平准化度电成本的持续下降．现有叶片失效分析表明，制造缺陷与设计失误分别占事故诱因的56%和19%，凸显出结构设计与工艺控制对实现20年设计寿命的决定性作用．

破解上述困局需从结构拓扑优化、材料体系创新与减重设计入手，开展面向大兆瓦机组的高性能叶片研发．通过精细化建模控制质量分布，优化局部风载承载机制，引入轻质高强与可降解材料，在保障气动效率与结构安全的前提下显著降低单位功率质量，同时耦合极端风况与疲劳荷载等多环境约束，提升全寿命周期风能利用效率与经济性．当前20 MW级机组的成功下线及25 MW机组的研发推进，已初步验证通过技术创新实现大型化与成本控制协同突破的可行性．

1.2 低风速区域叶片性能适配不足问题

随着优质风资源区域开发趋于饱和，低风速、超低风速及微风风电场成为重要发展方向．然而，目前Ⅲ类及以下风区仍沿用Ⅰ类区域的设计思路，仅将叶片参数线性放大30%~40%，导致气动性能不佳、发电效率低下．同时，超长叶片在低风速下易受扰动引发振动，产生刺耳噪声，影响机组稳定运行及周边生态环境．

IEC61400-1标准明确将Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类风区按风速分级，为不同区域叶片设计划定技术边界．未来Ⅲ类区域叶片的结构优化空间较大，开展针对性设计可显著提升机组发电量与运行稳定性．

1.3 超长叶片运输与安装难度剧增问题

叶片长度超过46 m后，运输难度和成本呈非线性上升．受限于道路法规、隧道桥梁净空、转弯半径等条件，超长叶片的公路、铁路及海上运输均需定制方案，涉及重型车辆、特殊固定装置、夜间限行、气象评估等复杂环节，甚至探索直升机或飞艇吊装，极大增加项目前期投资与物流风险．

故需开发适应超长叶片的新型运输与安装技术体系，包括模块化分段设计、现场拼接工艺、叶片结构倾斜、旋转、拉直等可调姿态运输，以及探索利用叶片中空结构实现水上拖运等创新模式．通过优化运输方案与叶片结构一体化设计，降低物流成本与安全风险．现有运输实践已尝试多种应对措施，如两端固定悬挂、叶尖倾斜、缓冲器过弯、铁路车厢联动支撑等，部分方案已在工程中应用．同时，叶片漂浮拖运等前沿研究正在推进，为未来更长叶片的运输提供技术储备．这些探索表明，通过结构设计与物流创新的协同优化，可有效应对超长叶片带来的运输挑战．

机组大型化会导致叶片质量和荷载非线性增加，加剧新建机组磨合期的损坏，如图1所示^［2］，新建机组叶片挂机运行两周便出现折损．

2 大兆瓦级叶片设计思路

大兆瓦级叶片的研究集中在减轻质量、降低风荷载和提高风能吸收方面，叶片的外形结构和制造材料均是叶片设计的关键因素．研究人员开展了一系列创新研究^［3‒5］：一方面，对叶片结构进行优化，以最大程度削减部分乃至全部叶片的质量；另一方面，积极探索能够降低极端阵风荷载的叶片自适应结构；此外，还将柔性和可变形翼型截面作为减轻叶片负载、提升风能获取效率的有效手段．

2.1 机构设计思路

2.1.1 自适应结构设计理念

叶片旋转受到气动力矩、重力、重力矩、离心力、离心力矩、科氏力和科氏力矩等外荷载，在风荷载作用下会产生挥舞、摆振、扭转和拉伸变形^［6］．即使在均匀风况下，动态入流效应也会诱发叶片荷载波动．叶片的自重会产生摆振荷载，并随着叶片的长度呈幂次级增长，风轮旋转引起的摆振荷载，直接改变攻角、挥舞位移等参数；而叶片长度和柔性的增加，需要提高叶片抗疲劳性能、缓解叶片振动和荷载的复杂程度、降低风轮及其附属机构质量．

自适应结构（被动控制）叶片具有承载力强、质量轻和形状自适应等特点，利用柔性来控制自身的弯扭耦合、拉扭耦合等变形耦合，耦合变形的预期效果可通过调整叶片结构的内部布局、结构材料的各向异性、材料分布及其纤维方向和弯曲的几何外形^［7］．不同量级叶片的自适应性能影响差异较小，具有一定的拓展性，相同的预弯、后掠关键参数包括叶尖预弯量、沿叶展的预弯分布规律、叶尖后掠量、后掠沿叶展的分布规律等．叶根扭矩的幅值体现了预弯的影响，叶片中段的外形参数由后掠控制，能够解耦预弯构型和后掠构型；合理的叶片预弯、后掠构型，能够大幅提高风轮的气动性能、提高叶片的刚度和稳定性、减小风振动干扰；在低风速、台风环境下，具有良好弹性和可调性的材料能够自动调整形状和角度，实现叶片的自适应变形；使用传感器和执行器等设备，控制系统的设计和优化，实现叶片的自动调整和变形．

低风速与台风两类极端环境虽然均可采用自适应结构，但二者破坏机理截然不同．低风速环境下，叶片需要克服长期疲劳累积和运行效率低下气流不稳定诱发的持续振动；台风环境下，叶片则承受瞬时极限荷载冲击，面临过载折断风险．要同时适应这两种工况，实现真正意义上的普适性，需在耦合机制设计中兼顾疲劳耐久性与极限承载能力，使叶片在低风速下具备足够柔性以捕获能量，在台风来袭时又能自动改变构型实现卸荷，确保柔性响应与刚性防护的动态统一．

根据耦合情况，可将自适应结构叶片分为以下3种^［8］．

（1） 材料耦合

材料耦合也称气动弹性耦合，通过改变纤维角度，实现各向异性复合材料的变形，进而实现叶片的自适应．常规叶片的纤维角度对称铺设在压力侧和吸入侧，叶片弯曲时，一侧光纤引起扭曲由另一侧补偿，协同驱动叶片扭曲获得自适应特性．AVATAR EU项目将剪切腹板分别安装在叶片压力侧和吸入侧的不同弦向位置，以获取自适应特性．

（2） 几何耦合

桑迪亚国家实验室对自适应风力机叶片开展数十年研究，开发出几何耦合自适应叶片^［9］．Ameduri等^［10］使用形状记忆合金（Shape Memory Alloy，SMA）构建变形扭曲系统（图2），借助加热线圈控制马氏体材料向奥氏体材料转变发生角应变，改变结构扭曲，由空气动力学和空气声学确定SMA扭转的最佳分布并进行结构优化．

（3） 组合耦合

材料耦合和几何耦合相结合，可以获得更复杂的耦合特性．Larwood等^［11］提出扫掠叶片设计的参数化方法，并应用于大型风力机．Stäblein等^［12］提出用于DTU 10 MW风力机的预扭转程序，优化自适应叶片扭转角分布，补偿弯扭耦合引起的功率损失．Stäblein等^［13］研究BTC对叶片截面的气动弹性模态特性和稳定性极限的影响．Bagherpour等^［14］使用hGAST评估材料自适应叶片的被动荷载，发现9°~12.5°的层偏移角可以减少叶片根部、翻盖弯曲疲劳和极限荷载．

在自修复材料领域，使用微胶囊包埋技术的自修复环氧树脂体系，裂纹可引发胶囊破裂释放修复剂，实现60%~80%的断裂韧性恢复率，修复效率在2~3次循环内仍能保持50%以上．Wang等^［15］在5 MW叶片上实测空管网络自修复系统，通过内置微通道输送修复剂，可使复合材料层合板的疲劳寿命提升2~3倍，在10⁶次循环荷载下裂纹扩展速率降低40%~60%．King等^［16］的户外实测数据显示，采用自修复涂层的叶片前缘，在3年服役期内腐蚀坑深度减少65%，维护间隔从6个月延长至18个月．针对碳纤维复合材料层间开裂，Chen等^［17］开发的界面自修复改性碳纤/环氧体系，层间剪切强度恢复率达82%，经5次循环后仍保持初始值70%以上，可使叶片设计安全系数降低10%~15%，对应减重约5%~8%．

2.1.2 仿生型结构设计理念

风力发电机叶片旋转产生机械噪声和气动噪声．机械噪声主要由风力发电机传动系统变速箱、轴承、孔、狭缝和其他结构造成，通常具有特定频率，可以通过制造和组装降低频率；旋转产生10~200 Hz频率范围的低频气动噪声对环境和人类健康影响极大，噪声来源于叶片前沿、边界层和后缘．前沿噪声由叶片和静止气流作用产生，边界层噪声由叶片后缘产生，后缘噪声由尾流区脱落涡流和叶片后缘产生．随着叶片尺寸的迅速增加，噪声危害加剧．Lyu等^［18］使用类似座头鲸胸鳍前缘结节、鸟类翅膀后缘轮廓及甲虫体表条带的仿生技术装饰叶片表面来提高叶片升阻比，有效降低叶片噪声．

叶片颤振主要包括经典颤振和失速颤振．当瞬时流体力和弹性位移之间存在相位差时，会产生经典颤振，导致能量耗散和振动幅度增加．叶片失速时产生的失速颤振，是叶片表面边界层的分离和叶片背面尾迹造成的．随着叶片大型化，结构质量增大，离心力和惯性力更容易受到拍打和扭转变形影响，从而导致经典颤振．目前可用于抑制叶片颤振的方法有3种：在叶片表面使用喷射制动器、可变螺距装置和襟翼等设备，改变影响振动的空气动力^［19］；通过添加阻尼器、改进蒙皮结构和芯材、调整叶片质量和刚度分布，改变叶片固有结构特性^［20］；在叶片中使用智能材料的振动控制可以提高阻尼和刚度性能^［21］．

在纳米复合材料性能增强方面，多项研究提供量化数据：添加0.5 wt%~1.5 wt%的氨基化碳纳米管，可使环氧树脂基体的拉伸模量提升20%~35%，断裂韧性提高40%~60%，玻璃化转变温度升高8~15 ℃．丹麦科技大学对5 MW叶片进行碳纳米管改性玻纤/环氧层合板测试显示，层间剪切强度提高28%，面内剪切模量增加17%，在10⁷次疲劳循环后的刚度保留率从72%提升至86%．石墨烯纳米片的增强效果更为显著，0.3 wt%添加量可使复合材料的弯曲强度提升35%，热导率提高200%，对雷击防护和散热至关重要．欧盟SALTO项目在12 MW海上叶片上应用纳米黏土改性聚氨酯涂层，盐雾测试3 000 h后附着力保留率为92%，而未改性涂层仅为58%；实海挂片2年后，改性涂层区域的氯离子渗透深度减少73%．Zhang等^［22］研究NREL 15 MW风力机叶片颤振抑制过程中，提出蜻蜓翅波纹在叶片翼型压力侧的布局方法（图3），并优化波纹类型、振幅和强度等参数，通过改变叶片的空气动力学形状和结构刚度，实现颤振抑制．

El-Sheikh^［23］提出3个弯曲铰链拟人化风力机叶片，实现1.5 MW叶片折叠运输，参考斐波那契数列调整弯曲铰链的间距（图4），模拟人类手指的蒙皮和翼梁增强叶片机动性，在保证叶片气动性能的条件下，不采用专用模具和特殊复合材料，成本不变．

Rahnamay-Bahambary等^［24］受安第斯秃鹰的启发提出改造叶片小翼（图5），对DTU 10 MW风力机叶片进行稳态雷诺平均纳维-斯托克斯方程仿真，发现小翼影响尾流处的速度恢复，使机组发电量增加9.69%．

2.1.3 分段式结构设计理念

目前针对长叶片运输和制造困难的解决方法，主要是使用叶片分段技术，将叶片分割成两段或多段分别制造，再采用各种连接方案进行连接，形成完整的分段式叶片．表1展示了不同分段连接方案的类型及优缺点．

大型分段叶片通常使用中间连接体形成轻型接头，比法兰型、轮毂型和T型螺栓接头效益更高，叶片分段结构部件在生产、维护成本和可靠性方面面临重大挑战．分段叶片解决了运输和组装长叶片的局限性，同时保留了传统叶片的风能捕获效率．Kim等^［25］提出对叶片内侧部分进行失速调节、对叶片外侧部分进行变桨调节方案，对叶片33%R、50%R和66%R 3个部分俯仰变桨进行研究，验证分段叶片不会增加额外负载且有利于风功率吸收．Kianbakht等^［26］基于平准化能源成本设计50 MW风力机的分段超轻型变形叶片，并量化50 MW尺度下的叶片模拟性能不足，形成超大规模风机配置设计．

2007年，德国Enercon公司最先推出E-126商业化分段式叶片，用于6~7.5 MW风力机机组，总长59 m，分别由圆锥钢体和尾缘铝壳组成叶根段，由玻璃纤维/环氧复合材料组成叶尖段，21个M52的螺栓连接两段叶片．西班牙Gamesa公司G-128商业化分段式叶片风力机用于海上7/8 MW风力机机组，成本仅增加10%，叶根段长为30.5 m、叶尖段长为32 m，总长62.5 m，分段部分均由玻璃纤维/环氧复合材料制造，连接部位使用碳纤维预制楔形条，在楔形条中预埋金属螺栓，嵌入的螺栓等同于双搭接胶接连接．西班牙INDEOL公司开发了陆上5 MW分段式风力机叶片，总长61.5 m，叶根段长为30 m，带有双翼梁腹板，每个单元由4个金属嵌件组成，具有各自的螺栓、螺母、垫圈和1个中间板，嵌件通过环氧树脂黏合剂黏合到翼梁帽上（图6）^［27］．

WetzelEngineering公司与美国能源部国家可再生能源实验室等多单位联合开发“SparBlade”叶片，所用轻质复合材料与空间框架结构可以在风电场现场组装，适用于62~74 m的叶片（图7）．

2016年，保定华翼风电叶片研究开发有限公司研发国内首例大型分段式风电叶片（图8），优化复合材料铺层结构，实现分段截面前后段叶片荷载顺利高效传递，同时开展复合材料螺栓连接单元和连接构件的基础实验和数值仿真分析，并完成测试和吊装．

中科宇能科技发展有限公司对国内首个7 MW分段式叶片开展4个方向的静力实验（图9），结果符合GL Guideline2010和IEC TS 61400-23标准，验证该构型具有很高的安装效率和使用可靠性．汇创新能源科技（阜宁）有限公司研发模块化叶片，通过叶片模块化设计、标准化生产、自动化组装，叶片模块化部件同时制造，生产效率提高80%以上．2023年，国内首支模块化风机叶片在汇创新能源公司下线，并于2023年9月完成金风科技木垒实验风电场6 MW机组装机运行．

2.2 功率获取最大化设计理念

风力发电机叶片的结构优化设计应考虑强度、稳定性、成本和振动^［27］．优化风力机叶片也可以通过减轻整体质量，更轻的叶片不仅减轻整个风力机系统的负载，且具有较大的经济效益，并实现风功率吸收最大化的目标．

Benini等^［28］提出衡量对比年发电量和发电成本，结合边界元法理论和多目标算法进行叶片优化验证．Hu等^［29］期望降低材料成本和叶片质量，对叶片结构进行优化研究．Zhu等^［30］以弦、扭曲分布、翼梁帽的层数、翼梁帽的宽度及剪腹板的位置为设计变量，结合BEM理论提高最大年发电量并最小化叶片质量，使用FEM方法和多目标遗传算法验证其优化方法的有效性．Dal-Monte等^［31］将叶片复合蒙皮的内部构型和布局作为结构优化变量，对AOC15/50风力机叶片提出了一种设计算法，耦合边界元理论和FEM分析．Yang等^［32］提出一种离散优化低风速叶片方法，将空气动力学和结构参数均作为设计变量，利用翼型理论提高气动和结构性能，并对2.1 MW叶片进行研究，结果表明，新型叶片的气动性能、结构性能均得到改进．Rivas等^［33］设计和测试自优化控制算法，优化功率输出、叶片应力和计算成本多目标函数，输出功率最大化并降低叶片的机械应力．Wan等^［34］提出环形整体控制系统，利用单叶片控制策略，在多变风况下实现最大化风能获取，既提升系统稳定性、动态性能和功率输出，同时减轻结构荷载并提升可靠性．

2.3 材料改进设计理念

2.3.1 材料性能提升设计理念

除在空气动力性能与结构性能方面开展改进工作外，还应对叶片材料进行研究，通过材料创新与优化提高叶片强度．叶片损坏因素包括：制造缺陷以及运输、安装和装配过程损坏；使用期间受复杂环境影响，循环变形、高湿度和温度变化会引起机械荷载，同时雷击、鸟类撞击等意外情况也会对叶片造成损害．据估计，全球处于运行状态的叶片数量超700 000个，平均每年发生3 800起叶片故障事故，其中海上风力机叶片平均每台每年故障次数达8.3次，机械故障造成的损失占55.9%．故降低机械故障可以延长叶片使用寿命、提升风能捕获能力、降低维护和更换的成本．

提高叶片材料性能的纳米复合材料研究还处于起步阶段．Subaşı等^［35］将石墨烯、氧化石墨烯和石墨等纳米材料掺入聚酯基体中，改变叶片复合材料的机械和热性能．Ergüner等^［36］将0.4 mg/mL、0.8 mg/mL氧化石墨烯和玻璃纤维纳米颗粒掺入环氧树脂流体中，进行纵向和横向拉伸、纵向和横向压缩及三点弯曲实验，结果表明，复合材料的拉伸强度和弯曲强度均显著增加．

结构健康监测技术能提前预知叶片的性能变化，提高叶片韧性和抗疲劳性的局部纳米级传感器被普遍认为是落地该监测需求的有效途径^{［37‒38］}．嵌入式传感器可以改变叶片质量分布，提前发现裂缝扩展及叶片薄弱部分，但会增加额外成本．目前，传统的传感技术只能检测相对较大的故障点，而使用纳米级导电模糊纤维^［39］可以精准捕捉复合材料和涂层上较小的缺陷．McGugan等^［40］分析叶片表面侵蚀、黏合剂疲劳、层压板开裂、压缩扭转和失效退化等典型物理损伤机制，通过监测风力机叶片的前缘侵蚀、黏合失效、胶合分层、静态和动态胶合测试及螺栓和层压疲劳等，实现叶片损伤监测和定位．

2.3.2 材料自愈设计理念

复合材料具有高强度质量比特性，成为自修复优秀材料之一．自修复材料主要由树脂和固化剂组成，依据不同的结构设计与修复机制，可分为胶囊型、中空管状型和固有自愈型3类．胶囊型自修复材料将愈合剂储存于胶囊内，当胶囊损伤破裂或溶解时实现自修复功能^［41］；中空管状型自修复材料通过中空或纤维通道保存愈合剂，中空管损伤破裂释放愈合剂^［42］；固有自愈型自修复材料利用本征材料潜在性能，通过热可逆反应、离聚物排列、氢键或分子扩散和纠缠实现裂纹的自修复．2001年，学者开始研究新的自愈方法，Toohey等^［43］在中空管状型管路中注入双环戊二烯（DCPD），与掺入环氧树脂基体中的Grubbs催化剂反应，可修复60%的裂纹．Amano等^［44］使用3D打印可定制易反复使用的数字控制几何图形，减少愈合所需的催化剂量．已有研究发现，胶囊型、中空管状型等自修复技术存在局限性，环氧树脂层和固化剂层间隔较远，复合材料内部实现自愈，所需的裂纹深度必须达到较高水平．

在纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer，FRP）中，长纤维发挥关键作用，确保该材料结构具备出色的纵向刚度与强度；聚合物基体则对材料的断裂韧性、分层强度、面外强度及刚度起保障作用．传统FRP结构的损伤机制包括在基体中形成层间裂纹，在循环荷载下裂纹萌生和扩展，导致层合板强度和刚度降低，致使复合材料纤维失效和断裂^［45］．添加碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNTs）可以抑制聚合物树脂中裂纹的萌生和扩展，并提高其弹性模量、强度和断裂韧性^［46］．CNTs可以通过适当的分散和加工掺入聚合物树脂中，该CNTs材料被用作FRP基质或碳纳米管在纤维表面的沉积．Zhang等^［47］研究发现DCPD与Grubbs催化剂可通过产生CNTs，提高自愈能力．Saadeh等^［48］研究改进的中空管状型自愈叶片，将Grubbs催化剂和CNTs掺入环氧树脂基体中，实现FRP叶片热固性复合材料的自我修复（图10）．

2.3.3 可回收材料设计理念

退役叶片回收受到全球关注，叶片的高效回收和资源化再利用已成为制约风电行业绿色循环发展和低碳目标实现的关键问题．叶片通常由热塑性涂层、热固性/玻璃纤维复合材料、碳纤维、轻木、黏合剂等材料组成，材料复杂及具有高强度性能均使材料分离和回收变得极其困难．预测到2050年，全球有4 300万吨风力机叶片废弃物，40%、25%和16%的叶片废弃物位于中国、欧洲和美国．据估计，2029年至2033年，每年需回收的叶片材料量可能达到40万吨，预计2050年将增加到每年80万吨^［49］．

退役叶片常采用深埋或焚烧处理，为实现废料资源化，一些学者及机构尝试分解再利用复合纤维废料，通常采用以下3种方法．

（1） 机械回收法

机械回收过程对退役叶片进行切割、粉碎和研磨，经机械处理，才能对不同尺寸的叶片碎片使用热回收法和化学回收法．机械回收包括一级^［50］、二级^［51］和三级^［52］处理方法．其中：一级处理对叶片进行简单切割加工，保留原有外观形状特性，使其作为整体结构或建筑材料进行再利用；二级处理按需对叶片进行物理切割，切割后拼接组装；三级处理将叶片材料粉碎、研磨，与其他材料混合作为填料，结合热、化学回收法提取纤维．

（2） 热回收法

通过加热和焚烧，复合材料中的树脂分解为可重复使用的碳纤维或玻璃纤维．热回收法主要包括热解过程^［53］、流化床燃烧^［54］和微波辅助热解^［55］．通过热处理技术，废弃物可为电力和热能提供能源．热回收过程中产生的热能还可提高化学品回收效率．

（3） 化学回收法

化学回收法使用化学试剂、加热和压力容器等手段，将基体材料溶解在玻璃纤维复合材料中．最常见的方法有超临界流体^［56］、溶剂溶解技术^［57］和水热液化法^［58］．化学回收法可以分解机械和热回收法无法加工的复杂部件，使用化学试剂从叶片中提取纤维和树脂等材料，经过净化和处理后，用于制造新的叶片或其他产品．

上述回收法可独立或互补应用于退役叶片回收过程，在技术原理、适用对象、产出价值及成本投入上存在显著差异（表2），共同构成完整高效的回收系统，使退役叶片的回收更加全面、环保和可持续．

我国高度重视风电叶片等复合材料废弃物的回收处理，从末端治理向全链条监管转变．2023年，国家发展改革委等部门联合发布的《关于促进退役风电、光伏设备循环利用的指导意见》明确提出，到2025年初步建立退役风电设备循环利用标准体系，到2030年形成产业体系．生态环境部将废风电叶片纳入《国家危险废物名录》豁免管理清单，明确符合条件的复合材料可按一般固废处置．在标准建设方面，中国建筑材料联合会、中国复合材料工业协会等机构已启动《风力发电机组叶片回收技术规范》《再生玻璃纤维短切丝》等系列标准制定工作，江苏、广东等风电大省也结合自身实际情况探索地方标准．在产业化进展方面，江苏连云港、山东德州等地已取得阶段性成果，建成万吨级叶片回收处理线，采用机械粉碎+热解/化学解聚复合工艺，但处于示范阶段，在规模化生产及实现高值化利用方面有待提升．

叶片全生命周期碳排放计算遵循ISO 14040/14044标准，采用生命周期评价方法，涵盖从原料获取、生产制造、运输安装、运行维护到退役回收的全过程．核心公式为E_total=E_原料+E_制造+E_运输+E_运行+E_回收-E_替代，其中：E_原料包括树脂、纤维、芯材等提取产生的加工碳排放，E_制造包括铺层、灌注、固化等工艺能耗，E_运输涉及原材料进厂和成品运往风场，E_运行主要指运维过程中的能耗与更换部件碳足迹，E_回收则包括拆解、运输、处理环节碳排放，E_替代指回收材料替代原生材料所避免的碳排放．关键因子包括各类材料的碳排放因子（如玻璃纤维约1.5~2.0 kgCO₂e/kg，碳纤维可达20~30 kgCO₂e/kg）、能源结构系数及运输距离等．当前研究显示，叶片碳足迹中约60%~70%来自原料生产阶段，回收环节若能实现高值化利用，可显著降低全生命周期碳排放，是推动可回收设计的重要动力．

聚氨酯、聚酰胺、聚烯烃等热塑性树脂相较于主流的环氧树脂热固性树脂，因其可熔融重塑的特性，被视为解决叶片难回收问题的途径之一．然而，热塑性复合材料在风电叶片领域的大规模应用仍面临以下瓶颈．

（1） 核心瓶颈

在工艺适应性方面，热塑性树脂熔融黏度高，对纤维的浸渍难度远大于热固性树脂的低黏度液体灌注工艺．百米级大尺寸叶片的一体化成型需要高温高压环境，对模具、加热系统及能耗要求极高．在力学性能与抗蠕变性方面，风电叶片承受长达20年的交变荷载，要求材料具有极佳的抗疲劳性能和抗蠕变性能．部分热塑性材料在长期荷载下易发生形变，刚度保持率有待验证．在界面结合强度方面，热塑性基体与玻璃纤维/碳纤维的界面结合强度通常弱于热固性体系，影响整体结构性能；在原材料成本与供应链方面，风电级的特种聚氨酯、PMMA等热塑性树脂价格普遍高于环氧树脂，且未形成成熟的全球供应链体系；在回收体系重构方面，缺乏针对热塑性叶片的专用回收物流、拆解及再加工设施，且需要与现有热固性叶片废流区分，避免交叉污染．

（2） 突破方向

开发低黏度、高反应活性的热塑性树脂体系，研究可反应热塑性单体，使其像热固性树脂一样在常温低黏度下灌注，在模具内聚合形成热塑性塑料（如己内酰胺原位聚合制备聚酰胺-6），解决浸渍难题；创新成型工艺，发展热塑性预浸料及自动铺放技术，结合模压或高压釜成型，提高大尺寸部件成型效率和界面质量；探索模内混合或共混改性技术，优化纤维与基体的界面结合．

设计基于可逆化学的交联网络，引入共价自适应网络或类玻璃高分子等概念，开发既具有热固性强度又具有热塑性和可重塑性的新型树脂作为过渡方案；在全生命周期设计与闭环验证，从设计源头建立可回收性评估标准，同步开发配套的物理/化学解聚与提纯技术；同时推动政策与标准先行，建立热塑性叶片专用回收补贴机制和产业链联盟，降低材料规模化应用的初始成本．

热塑性材料的规模化应用绝非简单的材料替换，而是涉及树脂化学、成型工艺、结构设计、回收再生的全链条系统性变革．突破方向在于攻克原位聚合与高效熔融加工的技术瓶颈，并结合可逆交联等前沿材料技术，最终实现叶片的高性能与可回收的协同统一．

2.3.4 不同结构与材料方案的成本对比分析

在叶片可回收设计的技术路线选择中，成本是决定方案可行性与推广潜力的核心因素．以下从材料成本、制造成本、回收处理成本3个维度，对当前主流及前沿方案进行对比分析．

（1） 材料成本对比

传统热固性材料体系成本最低，但隐含环境成本高．环氧树脂市场价格约1.5万元/吨~2.5万元/吨，玻璃纤维约0.8万元/吨~1.2万元/吨，碳纤维约12万元/吨~18万元/吨．热塑性材料体系中，聚酰胺约2.5万元/吨~3.5万元/吨，聚氨酯约2万元/吨~3万元/吨，聚烯烃约1.2万元/吨~1.8万元/吨，风电级改性品种价格上浮30%~50%．可逆交联树脂目前处于实验室阶段，成本高达10万元/吨~20万元/吨，规模化后有望降至4万元/吨~6万元/吨．从单位刚度成本看，玻纤/环氧约8~12元/（吉帕·千克），碳纤/环氧约25~35元/（吉帕·千克），热塑性玻璃纤维复合材料约15~20元/（吉帕·千克）．

（2） 制造成本对比

传统真空灌注工艺设备投入低，单套模具可生产200~300支叶片，摊薄成本约5万元/兆瓦~8万元/兆瓦．热塑性复合材料需要高温模压或高压釜成型，设备投资增加2~3倍，能耗提高40%~60%，单套模具产量降低30%，导致制造成本增加50%~80%．原位聚合工艺可在现有灌注设备上改造，但需要配套加热系统和反应控制单元，初期投资增加约30%，能耗增加20%．分段式设计虽然增加了连接结构成本（约10万元/节点~15万元/节点），但可降低运输难度并适配不同材料组合，综合成本可下降5%~10%．

（3） 回收处理成本对比

机械回收成本最低，约300~500元/吨，但产出物价值仅200~400元/吨，净成本约100~200元/吨．热回收成本约1 500~2 500元/吨，产出热解油价值约2 000~3 000元/吨，再生纤维价值约1 000~2 000元/吨，综合可盈亏平衡或微利．化学回收成本最高，约5 000~8 000元/吨，产出纯净纤维价值约8 000~12 000元/吨（玻璃纤维）或5万元/吨~8万元/吨（碳纤维），树脂单体价值约2 000~4 000元/吨，在碳纤维回收场景下具有经济性．若按50~100元/吨CO₂计入碳交易收益，低碳回收方案可额外获得50~100元/吨收益．

（4） 全生命周期成本综合评估

以20 MW海上机组为例（表3），采用传统热固性玻纤叶片，初始投资约200万元~250万元，20年运维及最终处置成本约30万元~50万元，全生命周期成本约230万元~300万元．采用热塑性可回收设计，初始投资增加30%~50%，约260万元~375万元，但按材料价值70%回收率计，回收价值约15万元~25万元，且延长寿命2~3年，综合全生命周期成本约250万元~350万元，差距缩小至10%~15%．若考虑绿色材料补贴200元/吨，低碳认证溢价2%~3%政策补贴和约50元/吨CO₂的碳税规避，3~5年内可回收增量投资．虽然碳纤维增强方案初始投资增加80%~120%，但减重30%~40%，可降低塔筒和基础成本10%~15%，在深远海开发场景具有综合优势．

（5） 不同技术路线的经济性拐点预判

机械回收+降级利用路线在当下经济性最优，适用于短期大规模处置需求；热回收+能源化利用路线在碳纤维含量大于15%或能源价格高位时具备经济性；化学回收+闭环再生路线在碳纤维价格高于12万元/吨或再生纤维性能保留率大于85%时具备竞争力．预计到2028—2030年，随着热塑性树脂规模化年均降幅5%~8%、化学回收技术成熟成本下降30%~40%及碳定价机制完善碳价升至150~200元/吨，可回收设计将迎来经济性拐点，与热固性方案实现平价甚至反超．

3 结构-材料-性能协同设计机制与跨维度优化路径

随着风力发电机叶片向大型化、轻量化、高性能化方向发展，单一维度的结构设计或材料选择已难以满足其在气动效率、结构安全、运输安装、环境适应性与全生命周期可持续性等方面的多重目标．特别是在海上高腐蚀环境与内陆高寒覆冰等极端工况下，叶片设计需从被动耐受转向主动适应．故构建结构-材料-性能协同设计体系，并引入人工智能（AI）作为跨维度优化的核心工具，成为推动下一代叶片技术突破的关键路径．

3.1 结构-材料-性能的协同关联机制

在叶片设计中，结构形态、材料体系与服役性能之间存在强耦合关系．除基础协同机制外，针对特定环境的适应性设计进一步强化了该关联．

（1） 结构驱动材料功能化

叶片的结构布局（如预弯/后掠构型、分段接口、仿生表面纹理）直接影响材料的受力状态与失效模式．

针对海上风机高湿、高盐雾环境，结构设计需驱动材料形成“梯度防护”．在叶片前缘与叶根等易腐蚀区域，通过结构预留的微槽或凸台，引导自修复型防腐涂层材料的定向流动与附着，采用仿生非光滑表面结构（如仿鲨鱼皮纹理）减少盐雾附着，降低电化学腐蚀风险；针对内陆高寒地区、中部地区冬季，可通过结构设计预埋功能化，在易结冰的叶尖与翼型前缘，设计空心结构或风热循环通道，将叶片内部气流压缩产生的热量传导至表面，通过柔性后缘结构形变主动破碎初期冰层．

（2） 材料赋能结构创新

碳纤维等轻质高强材料、形状记忆合金等智能材料有效支持更长叶片与自适应设计．

针对海洋特殊环境，开发纳米复合改性树脂，在传统环氧体系中引入石墨烯或纳米黏土，形成迷宫效应阻隔氯离子渗透．在叶片结构层中嵌入光纤光栅或电位敏感涂层等腐蚀传感材料，实时监测盐雾侵入深度，实现结构健康监测；针对内陆地理环境，引入疏冰/超疏水涂层材料与碳纳米管发热膜，降低表面低冰黏附力，在低温下通过电热效应快速响应，形状记忆聚合物的智能材料用于制作可变形前缘，结冰时通过形变使冰层破裂脱落．

（3） 性能目标引导系统优化

追求发电效率、结构可靠性、经济性与环境友好型的综合最优．将抗腐蚀寿命与防冰性能作为独立的优化目标纳入多目标优化模型．在海上场景中，需建立腐蚀-疲劳耦合损伤模型，平衡发电效率与抗腐蚀维护周期；在内陆场景中，需权衡防冰能耗与发电收益，确保在极端天气下的运行安全性．

3.2 跨维度协同设计方法与AI技术融合路径

为实现上述协同机制，需采用系统化的设计方法与技术工具，特别是引入AI技术，打破传统多学科设计优化的效率瓶颈．

（1）多学科建模与AI增强仿真，集成CFD、FEA与声学模型，采用参数化建模．使用AI技术融合物理信息神经网络，构建融合物理方程的AI代理模型，替代传统CFD/FEA求解器．将高盐雾环境下的腐蚀动力学方程或覆冰增长模型嵌入神经网络，实现毫秒级的多物理场耦合预测，解决传统仿真在风-湿-盐雾/风-冷-冰多环境耦合下计算成本过高的问题．利用生成对抗网络或变分自编码器，自动生成满足气动与防腐蚀/防冰要求的叶片外形及内部结构方案，扩充设计空间．

（2）多层次优化与AI驱动决策，宏观优化外形与分段，细观优化铺层，微观改性材料．使用AI技术融合多目标强化学习，将叶片设计视为序贯决策过程．AI智能体在宏观（翼型分布）、细观（铺层角度）和微观（材料配比）3个层面进行联合搜索，自动发现兼顾发电量、质量、抗腐蚀裕度、防冰能耗的帕累托最优解集．构建材料-结构-工艺-性能知识图谱．当设计人员输入“20 MW海上风机抗台风抗腐蚀”需求时，AI系统可自动检索相似案例，并推荐最佳的纤维/树脂体系、铺层顺序及防腐蚀结构特征．

（3）实验验证与数字孪生闭环，构建全尺寸静力/疲劳实验校准模型．使用AI技术进行虚实融合测试，在环境模拟盐雾/结冰风洞实验室中，利用AI实时调整环境参数与叶片荷载，加速模拟20年全生命周期腐蚀或结冰-除冰循环过程，快速验证协同设计效果．构建叶片数字孪生体，集成SCADA数据、气象数据（湿度、盐度、温度）及机载传感数据．通过时序预测模型，动态预测叶片剩余抗腐蚀寿命或覆冰风险概率．当监测到局部涂层失效或微裂纹时，数字孪生系统自动触发维修建议，并反向回传数据至设计端，驱动下一代叶片设计迭代，形成设计-运行-优化的闭环进化（图11）．

4 结 论

本文综述了水平轴大型风力叶片结构、功率和叶片材料的几种新设计思想和研究进展．结构改善方面，良好弹性和可调性材料的自适应结构在低风速和台风风况下，通过自适应变形提高叶片的生存能力，获取更多的风能，材料耦合、几何耦合和组合耦合需要探索最优构型，复杂结构也会产生较高的设计成本；仿生型结构叶片能有效改善叶片内部疲劳荷载，降低叶片损伤概率，需要结合仿生技术探索新型叶片外形结构，获得更优气动性能，抑制叶片颤振和噪声；分段式结构叶片在宏观外形结构上，改善悬臂梁的荷载分布，便于运输、安装和后期分段更换运维，连接部分需要额外设计和验证．

随着风光产业对能源效率与成本控制的要求不断提升，新一代风力机叶片设计倾向于采用更轻、更大、强度更高的材料．在实际设计过程中，需综合考虑热固性材料质量轻、强度高、耐腐蚀性强的特性，并结合分段、仿生、自适应等轻质高强耐腐蚀结构设计方法，在减少材料消耗、促进高价值回收与经济循环的同时，有机融合多种设计理念，从而为大兆瓦叶片结构经济化与实用化提供重要指导．

在此基础上，未来叶片设计将更加注重全生命周期性能的系统集成，推动形成设计-制造-运维-回收一体化创新体系．为此，后续研究将重点围绕以下方向展开：开发智能材料与结构健康监测系统的深度融合技术；构建叶片材料数据库并完善循环利用技术标准体系；探索基于人工智能的自动协同设计平台，实现从需求分析到方案生成的快速迭代与持续优化，从而进一步提升叶片设计的科学性、可持续性与综合效益．

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基金资助

国家自然科学基金“基于概率故障物理的风电叶片性能退化机理及可靠性研究”(52065062)

新疆工程学院博士科研启动基金“大数据下风力机叶片性能退化的剩余寿命预测机制研究”(2024XGYBQJ05)

丝绸之路经济带创新驱动发展试验区、乌昌石国家自主创新示范区项目“风电机组新型叶片创新产业链集群培育”(2023LQ01001)

新疆维吾尔自治区高校基本科研业务费项目“风速诱导区气弹耦合机理研究”(XJEDU2023P138)