风力发电叶片回收技术及发展展望

摘要：我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约10亿kW。自2003年起，风电产业进入规模化发展阶段，兆瓦级风机进入市场，随着20年设计使用寿命临近，早期优质风资源区建设的风机陆续退役。2018年我国风机叶片的报废量超过5700t，预计2023年达到万吨级。2021年，国家能源局发布《风电场改造升级和退役管理办法》的征求意见，鼓励并网运行超15年的风电场改造升级或退役。目前全球范围内，风机叶片广泛使用的是纤维增强的聚合物基复合材料，自然降解需要几十甚至上百年，燃烧、露天堆放、掩埋等方法会造成环境污染和资源浪费。退役叶片的回收利用已成为未来风电行业可持续发展的关键问题之一。

关键词：风力发电；叶片回收技术；发展

引言

随着“碳达峰、碳中和”国家战略目标的提出，提高非化石能源占比且大力发展清洁能源成为实现“双碳”目标的关键途径。其中新能源领域的风电将迎来历史性发展机遇，在未来能源体系中扮演重要的角色。风力发电的发展需要大量风机叶片的支撑。然而，一般风机叶片的标准设计使用寿命约为20～25年。目前全球大部分已安装的风机叶片将在2020年至2034年完成其标准寿命。在我国，第一批投入使用的风电叶片预计也将在2025年左右退役。因此，未来全球将会出现一轮风电叶片报废风潮，带来大量复合材料废物垃圾。目前风机叶片使用的碳纤维和玻璃纤维等复合材料降解难度大且回收过程复杂，因此，废弃叶片的回收再利用受到了广泛关注。

1概述

随着风力发电产业的迅速发展，风力架的使用和需求都在增加，废物也越来越多。2018年风力棒废物产生量约为5700吨，预计到2022年将达到5900吨。许多废弃的风力涡轮机对环境造成巨大压力，造成大量资源浪费。风力发电机组的主要材料是玻璃纤维/碳纤维复合材料，具有耐蚀性、轻质性和高强度。复合材料中使用的树脂通常是热固性树脂（聚酯、乙烯基和环氧树脂），具有分子连接链结构传统的处置方法包括露天填埋、填埋和焚烧。但是，这些处理方法限制了风力发电机组的合理再利用，也可能造成一定程度的环境污染。目前，处理风电场的最佳方式是回收利用风电场，以有效保护环境和实现可持续发展。本综述旨在介绍现有回收和再利用技术的最新研究进展，并分析每种技术的利弊，以便为商用风力机废物回收提供一条合理的技术途径。

2叶片回收利用技术进展情况

2.1超/亚临界流体法

液体温度和压力处于临界点或附近时，表现出很强的活性、溶解性、流动性等性质，能分解纤维复合材料。诺丁汉大学与巴利亚多利德大学的研究表明，以氢氧化钾为催化剂，环氧树脂分解率达到95.3％，碳纤维的拉伸强度为原始纤维的90％～98%。超临界丙醇可较好地分解环氧树脂复合材料，碳纤维的拉伸强度和刚度是原始纤维的99%。哈尔滨工业大学在超临界水中通过添加氧气，大大提高了分解速度。碳纤维力学性能测试表明，随着树脂分解率增加，碳纤维的表面过度氧化，拉伸强度会进一步下降。超/亚临界流体法具有清洁无污染，再生纤维洁净、性能优良等优点，但工艺条件苛刻，对反应器、反应参数控制要求高，目前处于实验研究阶段。

2.2热回收法

目前风机叶片复合材料的热回收法主要有两种，即热解法和流化床法。基本原理是通过外部加热来降解废弃的复合材料，并将其转化为固体、液体和气体等产品。在降解过程中由于复合材料中聚合物成分的存在而产生大量的能量，可用于发电等用途。采用流化床工艺，可使得废弃的叶片复合材料在热空气中固化或在无氧环境中加热，其操作温度条件介于450～700℃，能够从复合材料中回收玻璃纤维和碳纤维。通过热回收法回收的碳纤维强度能够达到原来的70%～90%。

2.3机械回收法

机械回收方法是一种回收技术，在对废旧复合材料进行再利用之前，对其进行机械处理（切割、粉碎、粉碎）。在对风力架废物进行切割和粉碎处理后，必须通过选择风来分离其各种产品，并得到独特的玻璃纤维/碳纤维复合材料。然后，经过处理的玻璃纤维和碳树脂复合材料最终被粉碎成较小的粒状粉末，并根据颗粒大小应用于不同的领域。机械回收工艺简单方便销售。但是，在回收过程中，复合材料中所含的玻璃纤维和碳纤维可能会受到轻微损坏，从而降低了所产生的复合材料的强度，并且只能用于次要目的。此外，在机械回收复合材料的过程中，需要切割和破碎，设备消耗大量能源，成本要高得多。最后，在复合材料的切割和破碎过程中可能会产生大量的玻璃/碳纤维，从而危及周围人的身心健康。

2.4流化床法

利用空气热流对复合材料进行高温热分解，气化复合材料中的树脂。一般采用旋风分离器来获得填料颗粒及纤维。英国诺丁汉大学率先提出该方法并进行系统研究，结果表明，450℃下回收的再生玻璃纤维强度损失50%，450～500℃下回收的再生碳纤维强度损失25%。碳纤维表面羟基转化为具有较高氧化度的羰基和羧基，碳纤维表面官能团的变化不影响再生纤维与环氧树脂之间的界面剪切强度。流化床法纤维拉伸强度降低的原因主要是纤维与固体砂粒、设备内表面之间的摩擦使纤维长度变短和力学性能下降，从而影响再利用应用范围。

3废风机叶片再利用前景

碳排放、生态、环境保护和节能是本世纪的主题，国家组织提出了新的要求。风机叶片数量大幅增加，传统的填埋和焚烧方法已不再令人满意，迫切需要找到更好的回收和再利用方法。复合纤维材料不仅广泛用于风力发电，而且还广泛用于航空、汽车和体育等领域。废弃复合材料的回收和再利用问题以及相关标准体系的制定和实施是复合材料工业的重要问题。废风机叶片主要含有玻璃纤维和碳纤维等复合材料，探讨回收废风机叶片复合纤维材料的高价值再利用技术是有意思的。风机叶片长度的平方与风机叶片捕获的风力成正比为了提高发电效率，叶片长度进一步增加，叶片材料的力学性能进一步提高。更改风扇叶片的设计和材料可以提供更大的回收潜力。因此，研究新的复合纤维材料、改进风扇叶片的机械特性、延长使用寿命和促进再循环也是令人关切的问题。

结束语

为实现风电行业绿色健康发展，风电叶片的高效循环回收利用是风电行业需重点突破的难题。为此，需持续研究叶片回收处理技术，以降低成本和提高回收效率，实现绿色无污染回收，同时重视回收产品的资源化利用。

参考文献：

[1]许冬梅，张兴林，荆涛.废旧热固性复合材料绿色回收利用关键技术研究——以风电行业废弃风叶片为例[J].环境保护，2019，47（20）：54-56.

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[3]张雪伟.设计叶片时应考虑退役后的回用需求[J].风能，2018（06）：31-32.