有研究工作者運用生命周期分析方法,對風力發電系統的六個階段進行分析，具體如下：

圖1、風力系統生命周期流程圖[5]

當然對于上述的風電系統的生命周期從原材料選材開始，我們以選材為碳纖維復合材料進行敘述。我們從風電機組本身出發，把上述風電機組生命周期過程簡單歸納為部件及整機制造、運輸、風場建造及安裝、運維、報廢等有比較直接關系的五個方面（如圖4），并從這五個方面探討碳纖維及復合材料在風電機組全生命周期的應用。

圖2、風電機組生命周期圖及碳纖維在不同時期應用

1.    部件及整機制造

前文所述風電機組的主要分為葉片、機倉、塔筒三個部分，目前碳纖維及復合材料在風電的應用主要用于葉片，包括部分蒙皮、前緣、后緣等，目前碳纖維復合材料用的最多部分就是風電葉片的主梁。

目前碳纖維主梁的工藝主要有三種：預浸料工藝、碳布灌注工藝和拉擠碳板工藝。

表1、碳纖維應用在風電領域的主要工藝

預浸料工藝制備碳纖維大梁，以手工方式鋪放，生產復雜形狀結構件的理想工藝，工藝及設備也成熟，勞動環境比較差，效率低，成本很高，目前多在樣機中使用，無法滿足批量化使用的要求。碳布灌注工藝是目前多家風機及葉片廠家使用的工藝，該工藝比較成熟，對模具要求不高，模具制作簡單，產品質量穩定性高，重復性能好，制品表觀質量好，相同鋪層厚度薄，強度高，但該工藝對碳布要求較高，且生產效率不高，成本也較高，制約了其推廣。拉擠工藝是復合材料工藝中效率最高、成本最低的，而且纖維含量高，質量穩定，連續成型易于自動化，適合大批量生產。利用碳纖維拉擠板材制備葉片大梁可以和葉片一起制作，鋪層工藝簡單，利用該工藝制作葉片的時間只有灌注工藝的一半，但對葉型設計有較高要求。利用該工藝制作葉片大梁是維斯塔斯的核心，該公司開發成功后，開始大規模推廣，目前該公司兆瓦級以上風機葉片都使用碳纖維復合材料，極大的推動了碳纖維在風電領域的應用，2016年全球碳纖維用量首次超過航空航天，成為碳纖維用量最大的領域，2017年風電使用的碳纖維2萬4千多噸，維斯塔斯一家用量就在2萬噸左右。

而風電機組的其他部位也有碳纖維大展身手的機會。2002年，美國風塔系統公司開展了一項美國能源部資助的多年研發項目，以對更輕、更高兆瓦級以上風電機組塔筒進行商業化。該公司后改名“風塔復合材料公司（Wind TowerComposite），它開發和測試了 80m 高的 1.5 MW風電機組塔筒和零部件，這個最終被稱為“空間框架”（Space Frame）的塔筒采用了碳纖維增強聚合物管進行改造，與鋼制塔筒相比，重量降低了20 % ，生產成本降低了25 % 。通用電器也介紹了一種復合材料塔筒及其制備方法，其制備方法是采用纏繞成本工藝。

機艙罩內部放置風力發電機的主機，主機多數由主軸、齒輪箱、機艙底座等組成。目前機艙罩主要用玻璃鋼建造，隨著風電機組的功率越來越大，其電機設備也會變大，機艙罩也會變得很大，這樣普通的玻璃鋼強度有可能不夠，可以利用碳纖維復合材料進行加固。

2.      運輸及安裝

我們有的時候在路上看到拖車拉著長長的風電葉片，會感到很震撼，因為一般的產品不會有這么大。隨著風電功率的增加，葉片的長度越來越長，其運輸、安裝的難度越來越大。

碳纖維復合材料用于葉片，將提高其輕量化效果，使其運輸、吊裝、安裝等難度變小。此外，運輸車輛及安裝設備本身也可以利用碳纖維復合材料進行輕量化。

而且目前條件好的地區多已經被占用，所以新建的風電機組多處于山區或海上，需要進行基礎建設，南京水利科學院和中南勘探設計院在某風電項目建設中，利用預應力拉擠板材對風電機組的基礎承臺進行加固，并取得了良好的效果。

此外，碳纖維復合材料的應用，使分段葉片連接處的結構設計難度大大下降。

3.      運維

為了保證風電機組的正常穩定和有效運行，并延長使用壽命，對機組的檢查、維護等工作是必不可少的。

風電機組是全年全天的運行，有的地區夜晚溫差，而一年四季的氣溫差別更大，在冬季高寒地區的溫度達到零下數十度，將會造成葉片表面結冰。葉片結冰將會改變葉片的氣動結構，同時結冰將使葉片重量增加，不僅改變發電效率還會危及風電機組的安全運行。另外，葉片運行的線速度很快，碎冰飛出去容易傷人。另外結冰太厚，機組需要停機進行除冰，將損失大量電能。而碳纖維除了輕量化，還有一個功能，就是在通電情況下，是良好的發熱體，熱轉換效率98%以上。所有利用風電機組本身產生的電，碳纖維通電后發熱，融冰除雪，是一個很好的選擇。

葉片在運行過程中，遠觀看起來轉動好像不是很快，實際上線速度最快可以達到數百公里以上，因此在迎風面葉片會受到很大的沖擊。另外葉片都是在野外風吹雨淋、熱脹冷縮，鹽霧腐蝕等都會造成葉片的損傷，當損傷超過一定的大小，就會影響葉片的正常運行，因此就要對葉片進行檢查。傳統的方法是停機，對葉片進行人工檢查。隨著機器人和無人機技術發展，可以利用碳纖維機器人和無人機對葉片展開檢查。

風電機組的使用壽命一般在20年左右，在這么長的時間內塔筒及礎臺等難免會損壞，特別海上或海邊的風電機組。而這個方法可以參考橋梁等碳纖維加固方式，利用碳布或預應力碳板的加固方案。

4.     報廢

   當葉片完成其功能后，就需要拆解、報廢，對于其中的碳纖維復合材料，如何回收利用，也是一個必須考慮的問題。當然，欄桿、裝飾用品等多種方式被考慮過，但是隨著報廢量的增大，徹底的解決方案必須考慮。目前上海交大的楊斌老師主導的回收碳纖維項目就是針對類似情況，她通過高溫裂解的方法回收碳纖維，可以回收其中有用的碳纖維。

總結

當然目前還有疑問，碳纖維用在風電上會不會太貴？而從風電機組的生命周期來看，碳纖維的應用將會更有優勢。因為葉片輕了，相應配套的設施如傳動設備沒有必要做的大，塔筒也可以做小一些，同時運輸、安裝也變得更容易了，而且更小的風可以推動葉片，而且葉片本身消耗的能量也少可以發更多的點...因此如果綜合考慮，將會意義更大。碳纖維目前四個領域應用最多，風電、航空航天、汽車和體育用品，2016年風電領域的用量首次超過航空航天成為首位，說明碳纖維在風電領域應用前景非常廣泛，但目前碳纖維在風電中的應用主要集中在國外，國內許多還存在一些技術瓶頸。目前國內有光威復材和澳盛科技，通過技術突破，實現了風電用碳纖維拉擠板材的批量化生產，為維斯塔斯提供產品。