碳纖維葉片，“風(fēng)力發(fā)電”的潛力股

風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)葉片是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，而碳纖維作為一種新的材料廣泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)葉片的制造中。隨著風(fēng)機(jī)越來越大，風(fēng)機(jī)葉片材質(zhì)的要求也越來越高，碳纖維也因其性能優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的應(yīng)用。 風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)現(xiàn)狀
近年來，國(guó)內(nèi)風(fēng)電裝機(jī)量快速增長(zhǎng)，國(guó)家能源局最新數(shù)據(jù)顯示，今年前7個(gè)月，國(guó)內(nèi)風(fēng)電新增裝機(jī)量達(dá)2631萬千瓦，累計(jì)裝機(jī)量達(dá)3.9億千瓦。而隨著平價(jià)時(shí)代到來，風(fēng)機(jī)大型化趨勢(shì)尤為凸顯，陸上風(fēng)機(jī)單機(jī)容量最高突破10兆瓦，海上風(fēng)機(jī)單機(jī)容量突破18兆瓦，葉片長(zhǎng)度也在不斷刷新行業(yè)紀(jì)錄。
快速大型化給風(fēng)機(jī)葉片材料性能帶來全新考驗(yàn)，傳統(tǒng)玻璃纖維復(fù)合材料性能不足的情況下，碳纖維成為最新的“潛力股”。
2022年，全球風(fēng)機(jī)葉片對(duì)碳纖維的需求量占到全球碳纖維需求總量的25.7%，我國(guó)風(fēng)機(jī)葉片碳纖維需求量也占碳纖維整體需求的23.5%。
為了更好的應(yīng)用性能優(yōu)勢(shì)，加大碳纖維材料在風(fēng)機(jī)葉片上的應(yīng)用已成必然趨勢(shì)。 碳纖維葉片應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
風(fēng)機(jī)葉片材料在經(jīng)歷了木材、布蒙皮、金屬蒙皮以及鋁合金后，玻璃鋼復(fù)合材料被普遍使用。各國(guó)研制大功率風(fēng)電機(jī)組最需要解決的問題是增大風(fēng)輪直徑捕獲能量，因而，對(duì)風(fēng)機(jī)葉片材料的要求也越來越高。
那采用碳纖維材料后的風(fēng)機(jī)葉片與玻璃纖維相比，碳纖維的比模量和比強(qiáng)度均大幅增加，碳纖維復(fù)合材料比玻璃纖維復(fù)合材料密度更低、強(qiáng)度更高，突破了玻璃纖維材料的性能極限，可保障風(fēng)機(jī)葉片在增加長(zhǎng)度的同時(shí)降低重量。
有實(shí)際的應(yīng)用上面標(biāo)示利用碳纖維葉片可進(jìn)一步提升海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)上限，甚至可支撐20兆瓦、300米葉輪直徑的機(jī)組開發(fā)。隨著我國(guó)海上風(fēng)電開發(fā)范圍不斷擴(kuò)大，深遠(yuǎn)海等復(fù)雜工況區(qū)域?qū)θ~片提出了更高要求，碳纖維材料的高強(qiáng)度性能將能適應(yīng)更加惡劣的工況環(huán)境。另外，輕量化葉片還可以降低吊裝和運(yùn)輸?shù)碾y度，對(duì)海上風(fēng)電全生命周期降本有所幫助。 上下游產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同必不可少
盡管碳纖維葉片藍(lán)海已經(jīng)顯現(xiàn)，但業(yè)界普遍認(rèn)為，碳纖維葉片未來仍需在成本、制造能力以及葉片狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)上提升，從而進(jìn)一步打開市場(chǎng)空間。
碳纖維材料是大型海上風(fēng)機(jī)葉片開發(fā)的必然選擇，但實(shí)際上成本仍在制約碳纖維材料在風(fēng)機(jī)葉片上的大批量應(yīng)用。雖然碳纖維價(jià)格持續(xù)走低，但對(duì)應(yīng)的玻璃纖維價(jià)格也在持續(xù)下降，從葉片設(shè)計(jì)角度，碳纖維葉片與傳統(tǒng)玻纖葉片相比競(jìng)爭(zhēng)力仍然有限。
除此以外，業(yè)界指出，當(dāng)前國(guó)產(chǎn)紗線碳板與成熟進(jìn)口紗線碳板性能存在一定差距，有缺陷漏檢風(fēng)險(xiǎn)。
碳纖維作為國(guó)家戰(zhàn)略性新材料，需要產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展。風(fēng)電行業(yè)需要碳纖維企業(yè)繼續(xù)優(yōu)化成本，風(fēng)電企業(yè)也需要綜合考慮成本和可靠性，同時(shí)還應(yīng)建立風(fēng)電國(guó)產(chǎn)碳纖維的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、碳纖維部件測(cè)試和設(shè)計(jì)許用值的行業(yè)規(guī)范，促進(jìn)國(guó)產(chǎn)碳纖維和風(fēng)電行業(yè)協(xié)同健康發(fā)展。才能應(yīng)對(duì)行業(yè)存在的諸多問題和挑戰(zhàn)，智上新材研發(fā)更高性能的熱塑性碳纖維復(fù)合材料也是更好的把碳纖維性能展示出來，能夠在更多的行業(yè)領(lǐng)域中得到更好的應(yīng)用表現(xiàn)。
除了碳纖維性能之外，我們還要關(guān)注碳纖維材料的性能穩(wěn)定、部件結(jié)構(gòu)形式的合理性，以及防雷設(shè)計(jì)的可靠性都將制約碳纖維在葉片設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景。
在國(guó)外已經(jīng)有很多大型風(fēng)電機(jī)組采用了碳纖維風(fēng)機(jī)葉片，以丹麥和德國(guó)為例，這兩個(gè)國(guó)家早在上世紀(jì)70年代開始用現(xiàn)代技術(shù)研發(fā)風(fēng)電機(jī)組，已經(jīng)積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，形成了非常成熟的技術(shù)。丹麥LMGlassfiber“未來”葉片家族中61.5米、5兆瓦風(fēng)機(jī)的葉片在梁和端部都選用了碳纖維。德國(guó)葉片制造商N(yùn)ordexRotor制造的56米，5兆瓦風(fēng)機(jī)葉片的整個(gè)梁結(jié)構(gòu)都采用了碳纖維，他們認(rèn)為葉片跨越一定尺寸后，碳纖維葉片的制造成本并不比玻璃纖維的成本高。