21世紀初，風力發(fā)電頭頂“綠色低碳”的光環(huán)，高調(diào)出道。經(jīng)過十多年的迅猛發(fā)展，成為了清潔可再生能源的主力軍。

　　然而，因為風電產(chǎn)生的電能極其不穩(wěn)定，電力質(zhì)量差，會對電網(wǎng)造成難以預(yù)料的沖擊。因此，在并入電網(wǎng)時，其往往需要與火電、水電甚至核電等其它穩(wěn)定的能源進行協(xié)同配合，也被戲稱為“垃圾電”。

　　實際上，伴隨風資源預(yù)測算法的逐步完善、風電機組智能控制手段的不斷進步，風電的“垃圾電”屬性正在逐漸消失。然而，風力發(fā)電卻仍然難以完全摘除掉“垃圾”這個標簽。

　　
 

　　海上風電場 (圖片來源：NewsTarget.com)

　　棘手的巨型垃圾

　　貼在風電身上的“垃圾”標簽，并非無中生有。風力發(fā)電的確會產(chǎn)生垃圾，并且是體積巨大的不可回收垃圾。

　　
 

　　現(xiàn)代風力發(fā)電機組 (圖片來源：Pixabay)

　　一般情況下，風力發(fā)電機的使用壽命為20~25年，按此計算，在21世紀前期安裝的大批初代風電機組即將陸續(xù)退役?，F(xiàn)代大型風電機組一般由6000多個零部件構(gòu)成，包括塔筒、齒輪箱、發(fā)電機等在內(nèi)的85%~90%的部件都可以進行回收再利用。

　　但對于走到生命盡頭的廢棄葉片，它們的處理工作卻異常棘手——除了葉根連接螺栓以及內(nèi)部的線纜之外，風電葉片的主體由復(fù)合材料構(gòu)成，具體成分主要包括環(huán)氧樹脂、玻璃纖維(俗稱“玻璃鋼”)以及輕木等。與傳統(tǒng)的金屬、塑料制品不同，這些材料難以進行二次回收利用。

　　
 

　　廢棄的風電葉片 (圖片來源：Hackaday)

　　另外，風電產(chǎn)業(yè)的崛起推動著葉片尺寸不斷攀升，目前世界上最大的風電葉片長達107米，相當于高達35層的建筑物，是本世紀初主流葉片長度的近8倍。這也導致葉片制造所需的原材料大幅增加，也令總重量迅速提升。例如，當前5 MW風力機三支葉片的總重量甚至超過了60噸。

　　顯而易見，未來處理廢棄葉片的形勢只會更加嚴峻。研究表明，到2050年，全球的廢棄葉片將達到4300萬噸，其中中國占40%，歐洲占25%，美國占16%，其他地區(qū)占19%。

　　粗放的葉片處理手段

　　作為一個追逐朝陽的行業(yè)，風電行業(yè)卻極度缺乏廢棄葉片的實際處理經(jīng)驗。目前，其主要處理方法是掩埋和焚燒。

　　顯然，直接將葉片運到垃圾場進行填埋過于簡單粗暴，并且會造成土地資源的巨大浪費，極其不環(huán)保，基本上已經(jīng)被淘汰。

　　
 

　　垃圾填埋場 (圖片來源：Pixabay)

　　那么，焚燒是否是有效的處理方式呢?雖然垃圾處理工廠能利用焚燒葉片產(chǎn)生的熱量來發(fā)電，但面臨的挑戰(zhàn)也不小。

　　廢舊葉片在進入焚燒廠前首先需要進行拆解和粉碎，由于復(fù)合材料中含有無機物質(zhì)，60%的廢料焚燒之后會變成含有污染物質(zhì)的灰燼，同時還會產(chǎn)生有毒的廢氣，威脅工人的身體健康。其中，殘留的細小玻璃纖維可能會使過濾設(shè)備出現(xiàn)故障。從能耗和排放角度來說，其大幅增加了成本和低碳環(huán)保的壓力。

　　實際上，目前葉片的回收方法操作繁瑣且效率低下，只有個別國外工廠具備適量葉片集中處理的能力。葉片中只有近30%的纖維可以通過回收，制成新的復(fù)合材料，而大多數(shù)只能作為水泥行業(yè)的添加物。為了探索回收葉片的方案，全球范圍內(nèi)與葉片回收業(yè)務(wù)相關(guān)的各個企業(yè)也都紛紛開展了大量的研究項目，同時推出了各種維度類型的創(chuàng)新性產(chǎn)品。

　　艱難的葉片回收之路

　　2012年，荷蘭率先將退役風電機組葉片作為兒童公園的建筑物、休閑長椅以及公交候車亭，但這種小而美的回收利用方式難以大規(guī)模地應(yīng)用于大型兆瓦級風電葉片，顯而易見，這種方式能夠消納的廢棄葉片極其有限，不是理想的回收方式。

　　

　　退役的葉片制成的長椅 (圖片來源：The-village)

　　要想批量回收風力發(fā)電機的葉片，需要將混合粘接構(gòu)成葉片的多種材料各自分離開。針對此，歐洲研究機構(gòu)合作開發(fā)了纖維分離技術(shù)，先利用混合切割機將葉片粉碎，之后去除雜質(zhì)，加熱將玻璃纖維與樹脂進行化學分離。在洗去纖維上殘留的樹脂后，通過二次活化方法對纖維進行改良，將其與一種新型的樹脂進行粘結(jié)，最終獲得更好的性能。

　　此外，華盛頓大學的一個研究小組也使用相似的方法，把葉片切割成小塊，再次加工成新的復(fù)合材料，制造成地磚以及路障等產(chǎn)品。

　　總而言之，葉片回收首先采取的步驟就是通過各種機械將巨大的葉片切割成小塊。之后再進行粉碎、分離等，完成后續(xù)一系列的處理步驟。但是，這些纖維比原來的纖維短，表面還摻雜著樹脂，極大程度地限制了其力學性能，也使這些重新形成的復(fù)合材料限制在了一個有限的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　
 

　　被切割成碎片的葉片 (圖片來源：Veolia公司)

　　寄予厚望的熱塑性葉片

　　風電葉片的回收難題遲遲無法解決，山窮水復(fù)之際，唯有轉(zhuǎn)變思維方式，才能化解危機。

　　面對這個日益嚴峻而棘手的難題，2017年，歐美多家葉片企業(yè)和研究機構(gòu)聯(lián)合起來，共同參與了一項“葉片全循環(huán)”計劃，嘗試開發(fā)一款專門用于葉片制造的新型熱塑性樹脂，從生產(chǎn)環(huán)節(jié)入手，徹底解決葉片回收問題。

　　
 

　　美國可再生能源實驗室的科學家正在制作熱塑性樹脂葉片(圖片來源：nrel.gov)

　　原來，傳統(tǒng)的兆瓦級風電葉片是通過真空灌注工藝使環(huán)氧樹脂浸潤玻璃纖維，之后加熱使二者融為一體，由于環(huán)氧樹脂屬于熱固性樹脂，葉片一旦加熱后便會產(chǎn)生化學變化，隨著其逐漸硬化成型，后續(xù)即使對它進行高溫加熱也不能使其軟化。

　　而此時，它出色的力學性能也完全發(fā)揮到了極致，耐疲勞性能更是登峰造極，這時的葉片具有了“金剛不壞之身”，確保它在遭遇極端強風時仍能游刃有余地化解危機，同時保證其具有超過20年的安全穩(wěn)定運行壽命。

　　但堅不可摧的“矛”到了退役的時候，它的優(yōu)點反而成為了它最大的缺點，幾乎任何普通常規(guī)的方法都不能傷它分毫，只能選擇簡單粗暴的方式將其破碎肢解。

　　
 

　　制作完成的熱塑性樹脂葉片(圖片來源：nrel.gov)

　　與熱固性樹脂不同，熱塑性樹脂的分子結(jié)構(gòu)呈線型排布，這使其具有受熱軟化、冷卻硬化的性能，而無論加熱和冷卻重復(fù)了多少次，它都不會發(fā)生化學反應(yīng)，并始終保持著這種性能。我們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見的塑料瓶、塑料玩具等就是最為典型的熱塑性材料。

　　因此，如果今后的葉片采用了熱塑性樹脂，那么當它退役的時候就搖身一變，成為了可回收垃圾，廢棄葉片的回收處理就變得簡單多了。通過初步碾碎，加熱分解之后，最后得到提純的原材料，可以再次用于葉片的生產(chǎn)制造，從源頭上推動葉片的循環(huán)利用，避免其變成難以處理的垃圾。

　　作為綠色清潔能源的代表，風力發(fā)電發(fā)揮著踐行低碳環(huán)保理念的重任。若能解決葉片的回收難題，風電便能撕下“垃圾”的標簽，讓環(huán)保的光環(huán)更加熠熠生輝。