风力发电现状及叶片组成与回收利用综述

许淳瑶，葛立超，冯红翠，姜 涵，李 羲，缪静雯，李东阳，许 昌

（1.河海大学能源与电气学院，江苏 南京 211100；2.南京工业职业技术大学电气工程学院，江苏 南京 210023）

近年来，随着人们对能源的需求日益增长以及生态环境保护意识显著增强，风力发电因其具有清洁环保、可再生、运维成本低等优点受到广泛应用[1]，风电新增装机大幅增长，风力发电技术水平也不断提高。2020年9月以来，随着“碳达峰碳中和”目标以及加大力度规划建设新能源供给消纳体系要求的提出，风电行业迎来了历史性发展机遇，风电将发挥主力军的作用，在未来能源系统中扮演至关重要的角色。

由复合材料制成的风电叶片使用寿命一般为20～30年[2]，因而在2000年代安装的风力机中，有很大一部分将在2020—2030年期间达到其使用寿命。截至2020年，欧洲已安装15年以上的风力机比例为28%，在德国、西班牙和丹麦这一比例甚至高达41%～57%[3]。到2050年，欧洲每年的废弃叶片总量将达到325 000 t，其中76%来自陆上，24%来自海上[4]。而在美国，2021—2025年间每年将有大约8 000个叶片被淘汰[5]。预计到2025年左右，我国第1批投入使用的风电叶片也将陆续退役，届时将会出现一轮风电叶片报废潮；而到2035年，我国将有至少9万台风电机组面临更新换代。

目前，风电叶片主要采用的热固性复合材料通常是由聚合物基质中的玻璃纤维或碳纤维加强的。该设计主要是为了实现叶片的轻质高强，以获得最佳空气动力学性能，并不是以可回收为目的[6-7]。废弃叶片在回收过程中还会对生态环境造成一定影响，因而叶片难以实现回收利用和可持续发展[8]。面对新能源飞速发展浪潮中的这一问题，2021年7月，中国物资再生协会纤维复合材料再生分会接受国家发改委的委托，针对“十四五”期间即将退役的风电叶片固体废弃物（固废）开展相关调研工作，因此风电叶片复合材料固废综合利用研究亟需加快进程。

目前通用的处理方式有堆放、填埋、焚烧和回收利用4类。堆放和填埋可能会占用有价值的空间；焚烧也会污染周围环境[9-10]，并且高价值碳纤维无法被再次利用，造成资源浪费。因此回收利用更符合风电作为清洁能源的初衷。通常复合材料的回收方法有机械回收法、热回收法以及化学回收法[11-15]。由这些方法回收后的叶片材料经过处理可以应用于其他没有风电高技术要求的行业[16]。

本文首先详细介绍了国内外风力发电的发展现状；然后介绍了风电叶片的组成材料和制造工艺；最后分析比较了3种回收方法各自的特点，重点阐述了热回收法的研究进展，为废弃叶片的回收利用指出了未来研究方向。

1 风力发电现状

1.1 国内外风力发电规模和成本

根据全球风能理事会发布的数据统计，2021年全球风电装机新增并网装机容量为9 360万kW，为历史第2高年份，相比于2020年仅下降了1.8%。其中陆上风电新增装机容量为7 250万kW，海上风电新增装机容量为2 110万kW。累计装机量已达到8 370万kW，较2020年增长12%。全球陆上风电新增装机容量前3为中国、美国和巴西。尽管中国的陆上风电新增装机容量有所下降，但装机占比仍达到了42.3%。全球海上风电新增并网装机容量为2020年的3倍多，中国的新增占比高达80%。

中国是目前全球最大的风电装机国和风电整机装备生产国。表1和图1为近10年来我国发电量统计数据以及电力装机结构，图2为风电累计并网装机容量以及增速统计数据。由表1和图1分析可得：尽管火力发电仍是我国主要的发电方式，但近年来其发电量占比呈下降趋势；核能发电、风能发电和太阳能发电作为新兴发电方式，虽然目前发电量占比较少，但总体上发电量逐年稳步增长，对全国电力供应的贡献不断提升；其中占比最大的是风力发电，2021年全国风力发电量6 526亿kW·h，占总发电量的8.0%。由图2可见：过去10年我国风电累计并网装机规模不断扩大；到2021年风电累计并网装机容量已经超过3.28亿kW，占总装机容量的13.8%。风力发电是拥有巨大发展潜力的高效清洁绿色新能源。国家能源局发布的数据显示[17]，2021年我国风电新增装机达到4 757万kW。同时，海上风电发展取得突破性进展，海上风电场建设成效显著。2021年海上风电新增装机容量为1 690万kW，远超此前累计建成的总装机规模；累计装机容量高达2 638万kW，位居全球榜首。

图1 近10年我国电力装机结构Fig.1 Power installed structure in China in recent ten years

图2 近10年我国风电累计并网装机容量及增速统计数据Fig.2 Statistical data of cumulative grid connected installed capacity and growth rate of wind power in China in recent ten years

表1 近10年我国发电量统计数据 单位：亿kW·hTab.1 Statistical data of China’s power generation in recent ten years

2021年6月，国际可再生能源署发布的数据显示，近10年全球陆上风电平准化度电成本下降56%至0.039美元/(kW·h)，全球海上风电成本下降48%至0.084美元/(kW·h)，风电正逐步成为全球范围内最经济的可再生能源。同时全球陆上风电项目的加权平均总安装成本降至1 355美元/kW，全球海上风电项目的加权平均总安装成本降至3 185美元/kW。风电平价化对风电行业提出了技术迭代的新要求，更是推动行业发展的强大动力。

1.2 能源相关政策

中国首个风电场——马兰风电场，从并网运行到今天已经历了30多年的发展。20世纪90年代，中国风电在国家“乘风计划”“双加工程”和“国债项目”支持下稳步发展，并于2010年达到了发展高峰期，累计装机容量达到4 473万kW，首次成为全球风电装机容量第一大国。自2010年起，我国已连续11年稳居风电装机容量世界第1的位置。

我国一向高度重视能源结构转型和全球气候变化问题。十八大以来，先后提出了多个能源发展相关政策以应对国际能源格局，其中包括“四个革命、一个合作”能源安全新战略以及加快构建清洁低碳安全高效的新型电力系统等。2020年9月，国家主席习近平在第75届联合国大会上承诺，我国努力争取2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。这一国家战略目标的提出，更进一步明确了未来的能源发展方向，提高非化石能源占比并且大力发展清洁低碳的可再生能源成为实现“双碳”目标的关键途径。2020年9月1日，新的《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》正式实施，对产废者和固废全过程监管等执行新规定。一系列国家规定和政策的实施，促使风电行业寻求废弃热固性复合材料绿色经济的回收方法。

随着我国重大战略目标的关键时间节点和发展规模日益清晰，风电行业进入提高发展速度和研究回收关键技术的新阶段。步入2022年，风电行业也迎来了关键的转折期，产业管理机制和政策的调整以及深化电力体制改革带来的电力市场新形势，都成为了该行业发展面临的新局面。

2 叶片组成、材料和制造工艺

2.1 叶片组成及性质

风电叶片是1个由复合材料制成的薄壳结构（图3），2个扇形半壳多用玻璃纤维增强复合材料，通常具有复杂的空气动力学造型。主梁是叶片的主要承载结构，通常由整块较厚的单向纤维复合材料板构成。腹板也称为内部梁，包括两端的碳纤维腹板帽，用轻质的连结板连接，可以支撑叶片结构，负担弯曲负荷。

图3 叶片结构断面Fig.3 Sectional view of wind turbine blade structure

风电叶片作为风力发电机的核心部件占总成本的15%～20%[18]。为使风力机达到最优性能，风电叶片材料需满足3个要求：1）增加材料刚度以确保稳定性，最大限度地提高空气动力性能；2）使用低密度材料降低整体质量；3）根据材料的疲劳寿命进行选择，从而避免材料退化[19-20]。因此，风电叶片普遍选用轻质高强、耐腐蚀好且可塑性强的复合材料[21]，保证叶片具有足够的强度和刚度。复合材料的单位密度仅为钢铁的25%，符合叶片轻量化的要求；而且复合材料的比强度和比模量高，更能根据叶片的特性需求进行合理灵活的设计，保证风电机组平稳运行。在风电叶片朝着大型化发展的过程中，复合材料已成为其核心材料，占整个叶片质量的90%以上。

2.2 叶片材料及性能

风电叶片主要材料分为基体材料、增强材料、芯材、胶粘剂和辅助材料，具体如图4所示[22]。基体材料约占叶片总质量的30%～35%，其在复合材料中起着粘结、支撑、保护增强材料和传递应力的作用，与叶片的工作温度、耐环境性能及成型工艺密切相关。增强材料在叶片复合材料中的占比约为60%～65%，主要起承载载荷的作用，其使用的纤维材料直径较小，具有较强的刚性。芯材约占4%～5%，一般应用在叶片的前缘、后缘以及剪切肋等采用夹层结构的部位，在减轻叶片重量的同时增强结构的抗弯刚度。芯材主要包括硬质泡沫和轻木材料。胶粘剂和辅助材料合计占比通常小于5%。胶粘剂是叶片的重要结构材料，其抗冲击和抗剪切性能直接影响叶片的强度和刚度。按照基本化学结构划分，目前使用的胶粘剂包括环氧胶粘剂、聚氨酯胶粘剂和丙烯酸酯胶粘剂，其中最常用的是环氧胶粘剂。辅助材料主要包括脱模剂、固化剂、增韧剂、促进剂、叶根金属螺栓和涂料等。由于基体材料和增强材料在复合材料中的合计占比高达90%，因此根据这两者之间的相互作用，合理地选择基体和增强体，是风电叶片选材的关键。

图4 叶片主要组成及常用材质Fig.4 Main components and common materials of wind turbine blades

基体材料可以分为热固性树脂和热塑性树脂。热固性树脂主要包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂和乙烯基酯树脂[23]。这些树脂经历化学交联过程后不可逆，产品一旦报废将难以通过重熔或重塑的方式进行降解和循环利用。尽管这些材料强度和模量较低，但拥有良好的弹塑性，可承受较大的应变，是当前叶片主要采用的基体材料。早期用于叶片材料的热固性树脂为聚酯树脂，其价格低廉，成型工艺好，但性能一般，且在固化过程中收缩率大，放热剧烈，成型时会释放一定的气味和毒性。在风电机组大型化的过程中，环氧树脂逐渐替代了聚酯树脂，成为叶片材料中应用最为广泛的树脂基体[24]。不同于热固性树脂的是，热塑性树脂在反复受热过程中，分子结构基本上不发生变化，当经过长时间的高温处理后则会发生降解或分解，因此越来越多叶片制造商对热塑性树脂制备叶片复合材料开展相关研究。

增强材料主要包括玻璃纤维（glass fiber，GF）、碳纤维（carbon fiber，CF）、碳纤维/玻璃纤维混杂和玄武岩纤维等新型纤维[25-28]。对于使用同种基体的复合材料，使用碳纤维作为增强材料制造的叶片强度和刚度优于玻璃纤维增强复合材料[7]，但碳纤维的价格昂贵，综上考虑，玻璃纤维仍然是风电叶片制造的主要原材料。随着风电叶片长度的逐渐增加，玻璃纤维增强材料的强度和刚度劣势也逐渐显现出来，对于翼缘等需要高强度和高刚度的部位，使用碳纤维作为增强材料可以提高叶片的承载能力，同时碳纤维导电性好，可以有效避免雷电等事故对叶片造成的损伤[29]。同时为了改善复合材料的性能，在其中添加1种以上的纤维，制成混杂复合材料，可以增加叶片的耐用性[30]。Mishnaevsky等人[24]对风电叶片的混杂复合材料进行了研究，其在碳纤维增强复合材料中加入玻璃纤维，结果表明碳纤维的冲击性能和拉伸应变得到改善。

热固性复合材料以各种热固性树脂为基体，加入各种增强纤维复合而成。作为当前叶片主要采用的材料，其优点是可以在室温或低温下固化，并且黏度较低，因而成型工艺简便且加工速度快[24]。酸酐固化环氧树脂以其优异的理化性能，常与碳纤维复合制备碳梁，应用于风电叶片的制造，尤其是海上百米级叶片。尽管热固性复合材料易于制造、耐用性能优异且短期内不可替代，但是存在回收工艺复杂和回收产品价值低等问题[31-33]。而热塑性复合材料具有其独特的优势，如密度低、成本低、生产效率高和抗冲击性能好[34]，同时热塑性复合材料更加环保，在使用寿命结束时可回收利用[35-36]，因此成为制造绿色叶片的首选材料。但是热塑性复合材料也存在一定的缺点：它需要较高的加工温度，导致能耗增加，并可能影响纤维性能；同时由于其黏度高且加工温度高，难以制造大型零件[21]。

目前，研究人员还在开发新型叶片材料。天然纤维如竹材、亚麻和黄麻[37-40]因其具有成本低、环保、制造简单、可生物降解和机械性能良好等显著特点[41-43]，因此可用于纤维增强聚合物（fiber reinforced polymer，FRP）的生产[44]。此外，还可以通过添加纳米材料来提高复合材料的强度，从而改善复合材料的性能，延长风电叶片的使用寿命[45-49]。因此，探索热固性材料叶片的回收利用方式与开发新型环保叶片成为了风电叶片发展的一个重要目标。

2.3 叶片制造工艺

主流风电叶片的生产制造过程如图5所示。

图5 叶片制造流程Fig.5 Flow chart of blade manufacturing

主梁、腹板和壳体等主要部件都由纤维增强树脂复合材料制成。原材料的合成工艺按树脂基体形态不同可分为预浸渍法和后浸渍法2大类[50]。预浸渍法是使基体在溶液或黏流态状态下充分浸渍增强纤维，经冷却成型后得到预浸料，可分为溶液浸渍法、熔融浸渍法及反应链增长浸渍法。后浸渍法是先将基体树脂与增强纤维混合，然后在成型过程中使树脂熔融并完全浸润纤维得到预浸料。该工艺主要包括纤维混杂法、粉末浸渍法和薄膜叠层法。

目前叶片制造工艺一般是先通过各个专用模具分别成型叶片蒙皮、主梁、腹板以及其他部件，然后再将各部件胶接组装到一起，最后合模加压固化。各部件的具体成型工艺大致有手糊成型、模压成型、拉挤成型、纤维缠绕、树脂传递模塑（resin transfer molding，RTM）、预浸料成型以及真空辅助树脂传递模塑（vacuum assisted resin transfer molding，VARTM）等[51]。

其中RTM是一种成功的小型风电叶片闭式模塑技术[19]。该工艺的基本步骤是先将纤维预制体置于密闭模腔中，然后将树脂注入封闭模腔，树脂流动排出模腔内气体的同时彻底浸润纤维，最后加热模具使树脂等材料固化成型[52-53]。

RTM技术不仅能够实现对树脂含量的精准控制，从而提高复合材料的承载能力，而且可以有效地提高叶片地制造效率，降低制造成本和人工成本，实现一次性整体成型[54]。VARTM更适用于制造大型风电叶片，该工艺是先将纤维增强材料、剥离层以及高渗透介质依次铺设到模具上，再用真空薄膜进行密封，将气体抽至负压状态后导入树脂，使树脂充分浸润纤维并最终固化成型。该工艺可以使树脂更好地渗透纤维，制造出质量稳定且强度较高的复合材料。我国兆瓦级风电机组叶片均采用此技术制备而成。

3 叶片的回收与利用

3.1 回收方式比较

废弃叶片复合材料的回收方法主要分为机械回收、热回收和化学回收[11-15]。

机械回收方法是将复合材料切碎、研磨或铣削成较小的碎片，然后再进一步研磨成粉末状。在粉碎过程中，需要根据复合材料特性选取合适的转速、粉碎时间和温度等参数，经过多级分选后可将不同性质的材料分离出来，从而更精准地应用到下游产品生产制造中，保证下游产品的质量稳定性。聚合物复合材料即使经过20年的长期使用，仍然是坚固的材料。通过采用机械分解，复合材料被分离成较小但坚固的碎片，然后可用作各种产品的增强材料[5]。Vincent等人[55]在低剪切混合器中将热塑性复合材料粉碎而成的薄片与新填料混合压缩成型，并重新投入使用。该方式有助于保持所制造部件的机械性能。低剪切混合在受控加热下进行，可以有效避免纤维断裂。Beauson等人[56]成功制造了用风电叶片复合材料碎片增强的聚酯树脂复合材料，并测试其机械性能，结果表明由于碎片复合材料与基体之间的黏附性不足，因而导致复合材料的失效强度较低。一般而言，复合材料的机械粉碎和碾磨仅为回收技术中的一个中间步骤，还需要其他步骤以分离材料部件。虽然机械回收方法有一些优点，如加工速度快和工艺简单等，且回收的碳纤维还可以应用于建筑行业；但是该方法会使碳纤维的性能在回收过程中受到严重破坏，只能获得不同长度的短纤维，故得到的大部分再生产品价值不高。

热回收法是将嵌入的纤维通过热处理从交联的聚合物基体中释放出来，从而将复合材料分解为基体和增强成分，并将其转化为有用产品，如用于新型复合材料的基本化学产品和聚合物[57-58]。热回收的3种主要方法是热解法、流化床法和微波热解法。这些技术的操作温度条件介于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%[59]。

化学回收是指聚合物通过化学反应转化为可溶性低分子量产物的过程。化学回收法主要有溶剂分解法和超/亚临界流体法2种[60]。在溶剂分解中，环氧基体的化学分解是使用反应性溶剂如硝酸、氨或乙二醇在低于临界温度至100 ℃条件下进行的，或者使用水或乙醇在接近临界温度条件下进行[61-62]。最终产品是纤维、无机填料以及溶解的解聚树脂和单体[63-64]，树脂去除效率为95%～100%。在超/亚临界流体法中，超临界或亚临界流体作为反应溶剂，在其中加入相应的催化剂，降解树脂基体，达到回收纤维的目的。超临界流体具有类似液体的密度、接近于气体的黏度和高扩散率，这些都有助于复合材料的回收。

Yildirir等人[65]对化学解聚碳纤维增强复合材料废弃物展开了研究，解聚反应在乙二醇和乙二醇/水混合物2种溶剂条件下进行。结果表明，在使用乙二醇作为溶剂、温度为400 ℃时树脂去除率最高，可达到92.1%，从而可以回收机械性能较高的碳纤维，对液体残留产物进行水热气化还可以制备燃料气体。Mattsson等人[66]以亚/超临界水为基础，在250～370 ℃和1×107～1.7×107Pa工艺条件下，采用催化剂（酸和碱）和添加剂（醇类和乙二醇类）对玻璃纤维增强复合材料（glass fiber reinforced polymer，GFRP）的化学溶剂分解工艺进行了研究和优化，发现最佳反应条件是先将GFRP在温度为270 ℃的乙二醇中放置16 h，然后在温度为330 ℃、含有正丙醇和催化剂KOH的水中浸泡3 h，两步工艺可以去除75%的树脂。Ibarra等人[67]在亚临界和超临界条件下使用苯甲醇和水从复合材料中回收碳纤维，确保复合材料和纤维完全分离，以回收清洁的纤维。Kim等人[68]的研究表明：仅使用超临界水而不使用任何催化剂的树脂去除效率为99.5%；为了完全除去树脂，需要用超临界水处理120 min。回收的纤维可以被再利用，与环状对苯二甲酸丁二醇酯混合，通过压缩成型生产热塑性复合材料。Sokoli等人[69]利用近临界水和超临界丙酮进行了实验，在温度为260～300 ℃、压强为0.6×107～3×107Pa且溶剂质量浓度为0.29～2.1 g/mL的条件下从废弃的GFRP和碳纤维增强复合材料（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）中回收玻璃纤维和碳纤维。结果表明，在温度为260 ℃且溶剂质量浓度为2.1 g/mL下，从超临界丙酮中回收的玻璃纤维拉伸强度高达原纤维的89%，从近临界水中回收的玻璃纤维拉伸强度降低了50%～65%，而使用水和丙酮作为溶剂回收碳纤维可以较好地保留其机械性能。

各项研究表明，通过化学法回收可以获得干净的纤维而不会显著降低其机械性能。但是化学回收法的回收过程成本高昂，要求特定类型反应器和设施既能够在高温和高压下运行，也能在腐蚀性介质中运行[64]，而且大部分溶剂都很昂贵，废液的化学成分非常复杂，其处理也是一个很大的挑战；另外，化学回收法反应时间长，流程复杂，很难工业化应用。因此经评估，化学回收法的整体工业准备度低于热回收法和机械回收法[14]。表2为3种回收方法的优缺点比较。

表2 回收方法比较Tab.2 Comparison of recycling methods

由上述分析可知：化学回收法中不同的复合材料需要特定的溶剂，因此该方法暂时不具有普适性；目前已达到工业规模的是机械回收法和热回收法。尽管各种方法在回收时都对叶片材料尺寸有要求，回收得到的纤维长度也有一定限制，但热回收法相较于机械回收法对纤维性能影响较小，故热回收法是具有一定前景的回收方式。本文重点阐述热回收法的研究现状。

3.2 热回收法

3.2.1 热解法

在复合材料的各种热回收方法中，热解法近年来已发展到工业水平。废弃风电叶片热解回收工艺如图6所示。一般而言，热解过程是在惰性气氛中（通常在大气压下），在受控温度下聚合物基质的分解[58]。通过这种方式，可以将基质分解成固体（纤维和填料）、油（例如苯、甲苯、乙苯和苯酚）、气体（例如H2、CH4、CO和CO2）和聚芳烃炭的混合物[70]；而纤维仍保持惰性，随后可以将其回收。同时，热解所产生的高热值液体和气体可以被收集并用作不同制造步骤的燃料或二次资源[71]。为消除聚合物热解后纤维表面形成的热解炭层，还需要对热解后的产物进行氧化。这种后气化会对纤维的机械特性产生负面影响，导致拉伸强度和弹性降低[72]。回收纤维机械性能的优劣在很大程度上取决于关键工艺参数，如热解和氧化温度、停留时间及反应气氛。通过优化工艺参数，可以实现机械性能损失最小化。

图6 废弃风电叶片热解回收工艺Fig.6 Pyrolysis recovery process of waste wind turbine blades

丹麦ReFiberApS公司开发了ReFiber工艺：塑料部件材料在热解室中的厌氧气氛中气化；然后回收和分离并清洗玻璃纤维。由该工艺产生的纤维强度降低了50%，而纤维的刚度不受热处理影响。这些纤维可用作绝缘材料或纤维增强材料。研究发现，热解会导致碳纤维上覆盖残余沥青焦或类炭物质[73]。Mazzocchetti等人[74]监测了氧化对原生碳纤维（virgin carbon fiber，vCF）和热解纤维的影响。结果表明，与热解纤维相比，vCF在氧化过程中更容易受损。这正是由于热解后的纤维上存在炭层，导致纤维直径比vCF大10%。经分析得出：炭层实际上对纤维起到了保护作用，减少了对纤维的整体损伤，阻止了氧与纤维结构中可用碳原子的反应；通过将碳原子转化为CO和CO2，降低了纤维的降解速度。因此，需要优化热解和氧化参数，以最大限度地保留回收过程中的纤维机械特性。宋金梅等[75]在管式炉中进行热固性碳纤维复合材料热解实验，并通过均匀设计试验考察热解终温、保温时间和升温速率对复合材料失重率的影响。结果表明，这3个因素的交互作用对热解过程影响较大。经回归分析得出最优热解条件为热解终温515 ℃，保温时间10 min，升温速率18 ℃/min。通过实验证实该结果准确可靠。Guo等人[76]采用两步热解氧化技术从CFRP废料中回收高性能碳纤维，并研究了反应条件，如氧化温度和时间对再生碳纤维（recycled carbon fiber，rCF）的性能和回收率的影响。实验中首先在氩气环境下将CFRP进行热解，然后将热解产物表面的残余碳氧化以回收碳纤维。结果表明，在450 ℃下进行15～20 min氧化反应可以回收相对干净的碳纤维。rCF具有更好的机械性能，其抗拉强度可达vCF的90%以上，同时碳纤维回收率可达95.22%以上。

研究人员还尝试在常规热解回收过程中优化热解反应条件来提高热解回收方法的效率。Yang等人[77]研究了氮气中氧气体积分数、反应时间和温度对rCF表面化学和机械特性的影响。结果表明，这些因素之间需要保持一定的平衡，才能在不破坏其固有特性的情况下回收纤维。实验中，4, 4'-二氨基二苯甲烷固化环氧树脂复合材料的热解过程在不同的气体混合物中进行。研究发现，随着氮气中氧气体积分数、温度和热解时间的增加，碳纤维的质量损失增加。因此，认为最佳热解条件是温度为650 ℃、氧气体积分数为5%且热处理45 min。该条件下rCF拉伸强度保持率为80%。Ma等人[78]通过研究证实了蒸汽在降低碳纤维质量损失方面的作用。在700 ℃热解过程中，氧气和空气体积分数为10%时可以分别导致纤维重量损失约26%和37%；然而在氮气和蒸汽的存在下，重量损失仅约为0.22%和0.19%。这一观察结果突出了在回收过程中对温度、持续时间和反应气氛等参数进行精细控制的重要性。Hadigheh等人[79]通过优化工艺变量开发出一种高效节能的热解技术，同时可以改善rCF的表面特性。结果表明，先将CFRP在425 ℃温度下进行热解反应，然后在550 ℃条件下氧化，并等温停留一段时间，可回收表面损伤较低的rCF。

3.2.2 流化床回收法

流化床热处理是在硅砂存在情况下，使用热空气流将聚合物基体与嵌入的纤维分离的技术[80]。该方法将废料或废弃材料复合物的尺寸减小到25 mm，并首先将其送入流化床或硅砂床中；在450～550 ℃的温度下，以0.4～1.0 m/s的速度，用空气或氮气的热气流进行流化[81-82]；复合材料中的聚合物基质挥发，从而释放出纤维和填料[83]，并将其作为悬浮在气流中的单个颗粒带出流化床。纤维和填料最终通过旋风分离器从气流中分离出来，然后进入在高温（即1 000 ℃）下工作的二次燃烧室，在该燃烧室中聚合物被完全氧化并回收热量[57]。

20世纪90年代中期，诺丁汉大学利用流化床技术开发了纤维增强复合材料的回收技术。该技术能够从废弃的GFRP和CFRP中回收高级纤维[84-85]。就机械性能而言，再生纤维的抗拉强度将会降低20%。Guo等人[86]使用流化床在氮气条件下进行实验，分析了固体、液体和气体残留物产率，并发现液体产率随着热解温度和气体速度的增加而增加。

流化回收工艺的优点是它可以从复合材料中回收玻璃纤维和碳纤维，但是回收后纤维的长度和强度受损，聚合物的回收率低。Meng等人[87]对流化床工艺进行了评估，指出流化床工艺产生的rCF呈现蓬松形态，长度分布不连续且强度有所降低，因此采用rCF制造CFRP以及其高值化利用存在一定挑战。

3.2.3 微波热解法

过去十几年以来，研究人员发现基于微波的热解技术能够更有效地从废弃复合材料中回收玻璃纤维和碳纤维，并可以将基质降解或分解为油和气体。与传统热解方法相比，微波热解是一种高效、快速和环境友好的方法[88]。微波技术的主要优点是材料在其核心加热，因此热能的传输速度很快，有助于将周围的热损失降至最低，从而实现节能[33,64]。

Hao等人[89]采用微波热解法从固化的碳纤维/环氧树脂预浸料中成功回收了碳纤维，发现微波热解可以有效地热解环氧树脂。与vCF相比，rCF的强度降低了不到20%，且经过氧化过程后，观察到回收的纤维表面干净完整。Åkesson等人[90]研究了微波热解法回收风电叶片的玻璃纤维增强复合材料：叶片被切成7～30 mm长的碎片，然后在300～600 ℃的氮气气氛中进行了90 min的微波实验。该实验从风力机的废弃叶片中回收了玻璃纤维和油，回收得到的玻璃纤维长度大部分为0～30 mm，有的甚至在30 mm以上，大约52%（质量分数）的纤维长度小于15.7 mm。微波热解后的玻璃纤维占玻璃纤维增强复合材料初始质量的70%，且与未经处理的玻璃纤维相比，回收后纤维的拉伸强度损失了25%。Obunai等人[91]在流速为2.5 L/min、3种不同气氛（空气、氮气和氩气）条件下进行了实验，发现在氩气气氛下进行微波热解是从废弃物中回收纤维最有效的方法，并且通过微波技术回收的纤维抗拉强度与通过传统技术回收的纤维抗拉强度几乎相同。Bowlby等人[92]通过微波热解技术开发了一种具有改善弯曲强度性能的新型复合材料。利用微波热解法在700 ℃下持续60 min制备碳基生物炭颗粒，然后将其与传统的GFRP相结合并制成复合材料。结果表明，用10%（体积分数）的生物炭颗粒增强的复合材料弯曲强度增加了2倍以上。Deng等人[88]进行了微波热解法和传统热解法的比较研究，在氧气气氛下分别利用2种方法从CFRP中回收碳纤维。结果表明：在450 ℃氧气气氛下，微波加热和传统加热都能够降解CFRP中的环氧树脂，回收得到碳纤维；但是微波加热比传统加热更快速和高效，回收得到的碳纤维表面更光滑，并且反应时间可缩短56.67%，回收率可提高15%。除此之外，还发现微波加热法相较于传统方法不会明显改变碳纤维的化学结构。

3.3 回收产品再利用

风电叶片复合材料回收技术经过多年的研究和试验，虽然有了多种技术路线方向，但由于其特殊性及回收成本原因，收集非常困难，导致下游综合利用技术的研究滞后。

机械回收尽管可以获得富含树脂和富含纤维的碎片，但其再利用的应用范围有限[58]。目前，可行的再利用途径是将碎片作为填料引入新的复合材料，如混凝土、沥青或涂层中。水泥生产商LafargeHolcim开发了在水泥生产厂使用粉碎叶片粉尘的技术：叶片被切割成小块后与潮湿材料混合，使粉末均匀地结合在一起，最终产品被研磨成粉末状水泥。这种解决方案价格低廉，可用于大量叶片的处理。

由热回收法和化学回收法回收得到的纤维应用范围较广，例如木制或金属框架、燃料电池、工业涂料和防静电地板等，可以实现高价值资源的充分利用。由欧盟资助的FiberEUse项目自2017年以来一直在为航空航天和风电等行业大量应用的复合材料开发可循环回收利用产业链。在该项目中Tecnalia研究院开发了基于低温无氧热解工艺的热处理，这能够保留部分玻璃纤维和碳纤维的强度[5]；将2种纤维作为1个整体回收，通过RTM工艺进行再加工，或者制备复合纤维；然后这些纤维被重新用于汽车部件、屋顶照明板和屋顶排水沟等建筑部件。Mantelli等人[93]开发了在3D打印中使用rCF的技术。他们将经过上浆处理的热解rCF切碎，用作热固化和光固化3D打印油墨的增强材料，论证了rCF热固性复合材料3D打印的可行性。Onwudili等人[72]将回收的纤维用于制备新型低密度聚乙烯（low density polyethylene，LDPE）复合材料，并发现热解后轻度氧化rCF以及使用不同的增容剂可以显著改善LDPE复合材料的机械性能。总之，回收纤维可以与新基体制成各种复合材料并应用于其他行业，但rCF与新基体之间的附着力仍需加强，以保证复合材料生产的产品性能，实现其高值化利用。

风电叶片废弃物和回收纤维的再利用是风电叶片实现全生命周期绿色化的关键环节，因而需要加快开发回收产品的各种应用途径，推动退役叶片的产业化发展。

4 结论与展望

1）我国有大量风电叶片现已接近其使用寿命，叶片复合材料固体废物需要进行回收、再利用、再循环和再制造，这对能源行业而言是一个挑战，会产生额外的成本。

2）本文首先介绍了当前国内外的风电发展情况和主要政策，其次对风电叶片的组成、目前采用的复合材料以及制造工艺进行了总结，再次对机械回收、热回收和化学回收这3种回收方法进行了分析比较，最后重点阐述了热回收方法的研究进展。每种回收技术都有各自的优缺点：机械回收尽管不会产生任何有害物质，但是会破坏纤维的机械性能；而化学回收和热回收可以更好地保留材料的性能，但是化学回收方法需要进行高温处理，消耗更多的能量，同时化学回收过程中会使用溶剂，因此会对环境和生态系统产生负面影响。

3）在“双碳”目标的号召下，发展更环保的清洁能源刻不容缓，因而我国势必会大规模发展风电等新能源行业。风电是支持电力系统率先脱碳，进而推动能源系统和全社会实现“碳达峰碳中和”的主力军，因此风电叶片的资源高效利用是风电行业实现绿色健康发展的基础。在遵守各项环保政策的前提下，以最低经济成本实现退役叶片的循环利用，是目前风电行业亟需解决的一道难题。为此，一方面需要进一步研究热固性复合材料废弃物处理技术，以降低成本和提高回收效率，让回收过程绿色无污染，同时为回收产品的再利用寻找工业化道路；另一方面，应开发可再生、可降解且可循环使用的新型风电叶片材料，比如热塑性复合材料、混杂复合材料、天然纤维复合材料和纳米复合材料等，从而延长叶片的使用寿命。

4）大批量风电叶片的退役和回收在面临困难和挑战的同时更是向风电行业释放了发展的新信号和强大动力。废弃风电叶片的绿色回收问题，需要各部门、各领域和各行业协同合作，找到具备可持续性的模式，让废弃叶片的回收再利用形成完整闭环，从而促进产业健康可持续发展。