“海上風電機組正朝著大型化、輕量化的方向發(fā)展，但傳統(tǒng)葉片制造材料主要為玻璃纖維復合材料，當葉片長度超過一定值后，玻璃纖維材料模量增長接近極限，無法滿足葉片大型化、輕量化的需求。”上海電氣風電集團股份有限公司解決方案總經理黃軒在近日舉行的風電產業(yè)高質量發(fā)展高峰論壇暨碳纖維應用研討會上指出，“加大碳纖維材料在風機葉片上的應用已成必然趨勢。”
隨著海上風電開發(fā)范圍不斷拓寬，海上風電產業(yè)鏈創(chuàng)新勢在必行。多家風電企業(yè)呼吁上下游產業(yè)鏈加緊協(xié)同，共同推動碳纖維新材料產業(yè)健康發(fā)展。
碳纖維葉片應用已成趨勢
近年來，國內風電裝機量快速增長，國家能源局最新數(shù)據顯示，今年前7個月，國內風電新增裝機量達2631萬千瓦，累計裝機量達3.9億千瓦。而隨著平價時代到來，風機大型化趨勢尤為凸顯，陸上風機單機容量最高突破10兆瓦，海上風機單機容量突破18兆瓦，葉片長度也在不斷刷新行業(yè)紀錄。
快速大型化給風機葉片材料性能帶來全新考驗，傳統(tǒng)玻璃纖維復合材料性能不足的情況下，碳纖維成為最新的“潛力股”。
黃軒指出，與玻璃纖維相比，碳纖維的比模量和比強度均大幅增加，碳纖維復合材料比玻璃纖維復合材料密度更低、強度更高，突破了玻璃纖維材料的性能極限，可保障風機葉片在增加長度的同時降低重量。“利用碳纖維葉片可進一步提升海上風電機組設計上限，甚至可支撐20兆瓦、300米葉輪直徑的機組開發(fā)。”
除了為海上風電機組大型化提供保障，業(yè)界普遍認為，隨著我國海上風電開發(fā)范圍不斷擴大，深遠海等復雜工況區(qū)域對葉片提出了更高要求，碳纖維材料的高強度性能將能適應更加惡劣的工況環(huán)境。另外，輕量化葉片還可以降低吊裝和運輸?shù)碾y度，對海上風電全生命周期降本有所幫助。
國產碳纖維葉片實現(xiàn)突破
據吉林化纖集團黨委書記、董事長宋德武介紹，2022年，全球風機葉片對碳纖維的需求量占到全球碳纖維需求總量的25.7%，我國風機葉片碳纖維需求量也占碳纖維整體需求的23.5%。
在宋德武看來，與航空航天、軍工科技等領域相比，風機葉片所需的碳纖維產品標準有所不同，技術成本相對更低，生產過程中，可根據不同性能、工藝和成本，設計不同應用性能和生產工藝參數(shù)，相對快速實現(xiàn)碳纖維量產。
在此情況下，近兩年來我國碳纖維產業(yè)高速增長。數(shù)據顯示，2022年，國產碳纖維產能達到11.2萬噸，供應量首次超過進口量。
金風科技股份有限公司葉片結構主設兼葉片產品經理袁淵指出，近年來，國內碳纖維計劃產能增長十分可觀，碳纖維葉片的研發(fā)應用規(guī)模同樣快速增長。“早在2017年，國際市場上已有整機制造商開啟了碳纖維葉片的應用，LM、西門子歌美颯、維斯塔斯等跨國企業(yè)也都有百米級碳纖維葉片產出。隨著國內海上風電市場的蓬勃發(fā)展，2022年，國內海上大葉片發(fā)展實現(xiàn)了全面趕超。目前，國內市場上已有大量海上風機葉片采用碳纖維設計，國內主流整機和葉片廠商也都規(guī)劃了下一代海上大兆瓦機組，更大的海上風機碳纖維葉片也都在開發(fā)之中。”
據了解，目前，明陽智能、上海電氣、東方電氣、金風科技等國內主流整機商都已開啟碳纖維葉片的試驗及生產應用。有數(shù)據顯示，2022年以來，國內新開發(fā)、新批量生產的海上風電機組中，超過70%都應用了碳纖維葉片，即使在陸上風電機組中，部分企業(yè)也已經開始小批量實測應用碳纖維葉片。
上下游產業(yè)鏈協(xié)同必不可少
盡管碳纖維葉片藍海已經顯現(xiàn)，但業(yè)界普遍認為，碳纖維葉片未來仍需在成本、制造能力以及葉片狀態(tài)檢測技術上提升，從而進一步打開市場空間。
袁淵坦言，碳纖維材料雖然是大型海上風機葉片開發(fā)的必然選擇，但實際上成本仍在制約碳纖維材料在風機葉片上的大批量應用。雖然碳纖維價格持續(xù)走低，但對應的玻璃纖維價格也在持續(xù)下降，從葉片設計角度，碳纖維葉片與傳統(tǒng)玻纖葉片相比競爭力仍然有限。
除此以外，業(yè)界指出，當前國產紗線碳板與成熟進口紗線碳板性能存在一定差距，有缺陷漏檢風險。
為應對行業(yè)存在的諸多問題和挑戰(zhàn)，洛陽雙瑞風電葉片有限公司研發(fā)技術中心副主任、高級工程師關洪濤呼吁，碳纖維作為國家戰(zhàn)略性新材料，需要產業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展。風電行業(yè)需要碳纖維企業(yè)繼續(xù)優(yōu)化成本，風電企業(yè)也需要綜合考慮成本和可靠性，同時還應建立風電國產碳纖維的產品標準、碳纖維部件測試和設計許用值的行業(yè)規(guī)范，促進國產碳纖維和風電行業(yè)協(xié)同健康發(fā)展。
袁淵建議，隨著葉輪直徑進一步增大以及風電機組逐漸邁向深遠海，碳纖維材料的性能穩(wěn)定、部件結構形式的合理性，以及防雷設計的可靠性都將制約碳纖維在葉片設計中的應用前景。在此情況下，從原材料開發(fā)生產到葉片設計，再到批量化生產，都需要相關從業(yè)者共同克服應用短板。
