復(fù)合材料風(fēng)電葉片技術(shù)及市場(chǎng)分析

2024/04/16

01 引言

隨著風(fēng)電機(jī)組的大型化發(fā)展，輕量化設(shè)計(jì)要求愈加突出。15ＭＷ以上級(jí)風(fēng)電機(jī)組超長(zhǎng)葉片對(duì)材料的強(qiáng)度、剛度和耐疲勞性能提出了更高的要求，為碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)電葉片領(lǐng)域的批量應(yīng)用提供了前提。小絲束碳纖維力學(xué)性能優(yōu)異，但受成本因素制約，在風(fēng)電葉片領(lǐng)域的規(guī)?；茝V應(yīng)用一直停滯不前，而近十年來(lái)大絲束碳纖維的發(fā)展恰恰踏上了全球風(fēng)電復(fù)合材料葉片快速增長(zhǎng)的節(jié)拍。2022 年，風(fēng)電葉片碳纖維用量高達(dá)3.47萬(wàn)噸，占全球碳纖維用量的 25.7％，根據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)十年風(fēng)電行業(yè)對(duì)碳纖維需求依然強(qiáng)勁，預(yù)計(jì)到 2030年可達(dá) 19.5 萬(wàn)噸以上，風(fēng)電板材制造企業(yè)更是提出了對(duì)低成本碳纖維的價(jià)格的迫切要求。

02 風(fēng)電葉片對(duì)復(fù)合材料的需求

風(fēng)電葉片尺寸越長(zhǎng)，整體柔性變形就越大，需要控制運(yùn)行過(guò)程中的葉尖撓度變形來(lái)保證葉片與塔架之間的安全距離，否則會(huì)發(fā)生掃塔事故。

玻璃纖維是目前用量最大的風(fēng)電葉片主梁原材料，據(jù)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)電葉片玻璃纖維用量占我國(guó)玻璃纖維總產(chǎn)能的 20％～ 25％。玻璃纖維的拉伸模量是影響葉片變形的關(guān)鍵因素之一，超高模量玻璃纖維對(duì)于提升葉片剛度意義重大。近10 年來(lái)，玻璃纖維企業(yè)通過(guò)持續(xù)不斷的技術(shù)創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)了各種規(guī)格的玻璃纖維。從圖中可以看出，每一代玻璃纖維的模量都提升了 10％左右，超高模量玻璃纖維／環(huán)氧樹(shù)脂拉擠板材的模量也達(dá)到了70Ｇｐａ。這些進(jìn)展有力地促進(jìn)了風(fēng)電葉片大型化的發(fā)展，目前長(zhǎng)度80ｍ以下葉片設(shè)計(jì)基本都是以玻璃纖維為主的材料體系。

超高模量玻璃纖維拉伸模量已達(dá)到理論值的90％左右，已無(wú)法繼續(xù)滿足發(fā)展更大尺寸的海上風(fēng)電葉片的要求。碳纖維的拉伸模量比玻璃纖維高3～10倍、比重小30％，在大尺寸風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)制造上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著葉片尺寸增加，重量越來(lái)越大，為提高剛度和耐疲勞性能，使用碳纖維替代玻璃纖維成為必然選擇，但碳纖維的價(jià)格通常為玻璃纖維的8～15倍，兼顧成本因素，部分風(fēng)電葉片生產(chǎn)企業(yè)的長(zhǎng)度80～120ｍ的風(fēng)電葉片采用了碳纖維／玻璃纖維（碳玻）混雜結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度120ｍ以上風(fēng)電葉片則采用純碳纖維復(fù)合材料（見(jiàn)下表）

碳?；祀s風(fēng)電葉片拉擠板材可根據(jù)實(shí)際使用工況和成本因素對(duì)碳?；祀s比（碳纖維與玻璃纖維的體積分?jǐn)?shù)比值）進(jìn)行調(diào)整，例如國(guó)內(nèi)某企業(yè)生產(chǎn)的碳?；祀s拉擠板材碳?；祀s比有1:2和2:3兩種規(guī)格。德國(guó)Repower公司、丹麥ＬＭ公司、西門子歌美颯、明陽(yáng)智能的部分型號(hào)風(fēng)電葉片主梁板材均采用了碳?；祀s結(jié)構(gòu)。

03 碳纖維風(fēng)電葉片崛起

隨著海上大功率風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展，更大尺寸葉片成為必經(jīng)之路，目前長(zhǎng)度120 ｍ以上葉片則必須應(yīng)用碳纖維板材（碳板）進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用碳板制備的風(fēng)電葉片不僅力學(xué)性能優(yōu)異，而且更加節(jié)能減排，以３ＭＷ的風(fēng)電機(jī)組為例，使用碳纖維復(fù)合材料葉片與使用玻璃纖維復(fù)合材料葉片相比，ＣＯ_２總減排量大于1000噸，當(dāng)用于更大功率的風(fēng)電機(jī)組時(shí)，使用碳纖維復(fù)合材料葉片的ＣＯ_２減排效果更加顯著。

當(dāng)前風(fēng)電葉片碳板的成型工藝逐漸固化為拉擠成型技術(shù)。大絲束碳纖維復(fù)合材料拉擠成型工藝流程成為主流，其具體工藝流程如圖所示。設(shè)備主體包括紗架及導(dǎo)紗裝置、樹(shù)脂槽、預(yù)成型裝置、加熱固化裝置、牽引裝置，切斷裝置，配套的還有收卷裝置、控制系統(tǒng)、安全防護(hù)裝置及報(bào)警裝置等。

04 市場(chǎng)展望

2021～ 2022年，風(fēng)電市場(chǎng)發(fā)展相對(duì)低迷，中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專業(yè)委員會(huì)數(shù)據(jù)顯示：2022 年全國(guó)新增風(fēng)電吊裝容量同比下降約11％，其中海上風(fēng)電同比下降超六成。但自2022年底以來(lái)，各地風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)逐漸恢復(fù)，西部陸上、東部海上風(fēng)場(chǎng)籌建、招標(biāo)正在如火如荼的進(jìn)行中，各大主機(jī)廠及配套廠均在擴(kuò)產(chǎn)擴(kuò)能，據(jù)預(yù)測(cè)，到2023年年底，全國(guó)配套風(fēng)電葉片的板材拉擠生產(chǎn)線將達(dá)到2500條。中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)發(fā)布的《2023 年度全國(guó)電力供需形勢(shì)分析預(yù)測(cè)報(bào)告》中預(yù)計(jì)， 2023 年風(fēng)電新增裝機(jī)將達(dá)到6500萬(wàn)ｋＷ·ｈ，對(duì)比 2022 年有巨大增幅。隨著在建大絲束碳纖維的產(chǎn)能逐漸釋放和新型低成本高效率自動(dòng)化制備技術(shù)的不斷進(jìn)步，玻璃纖維板材、碳纖維板材以及新型低成本樹(shù)脂體系板材將在不同功率的風(fēng)電葉片應(yīng)用上形成分賽道競(jìng)賽的局面，原材料、技術(shù)開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)及應(yīng)用各個(gè)環(huán)節(jié)配合會(huì)愈加緊密，我國(guó)的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在未來(lái) 5 ～ 10年內(nèi)會(huì)有更大規(guī)模的爆發(fā)式增長(zhǎng)。

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