复合材料风电叶片技术及市场分析

复合材料风电叶片技术及市场分析

2024/04/16

01 引言

   随着风电机组的大型化发展， 轻量化设计要求愈加突出。15ＭＷ 以上级风电机组超长叶片对材料的强度、 刚度和耐疲劳性能提出了更高的要求， 为碳纤维复合材料在风电叶片领域的批量应用提供了前提。小丝束碳纤维力学性能优异， 但受成本因素制约， 在风电叶片领域的规模化推广应用一直停滞不前， 而近十年来大丝束碳纤维的发展恰恰踏上了全球风电复合材料叶片快速增长的节拍。2022 年， 风电叶片碳纤维用量高达3.47万吨， 占全球碳纤维用量的 25.7％， 根据预测未来十年风电行业对碳纤维需求依然强劲， 预计到 2030年可达 19.5 万吨以上， 风电板材制造企业更是提出了对低成本碳纤维的价格的迫切要求。

 

02 风电叶片对复合材料的需求
      风电叶片尺寸越长， 整体柔性变形就越大，需要控制运行过程中的叶尖挠度变形来保证叶片与塔架之间的安全距离，否则会发生扫塔事故。
      玻璃纤维是目前用量最大的风电叶片主梁原材料，据统计， 风电叶片玻璃纤维用量占我国玻璃纤维总产能的 20％ ～ 25％。玻璃纤维的拉伸模量是影响叶片变形的关键因素之一， 超高模量玻璃纤维对于提升叶片刚度意义重大。近10 年来， 玻璃纤维企业通过持续不断的技术创新， 开发了各种规格的玻璃纤维。从图中可以看出， 每一代玻璃纤维的模量都提升了 10％左右， 超高模量玻璃纤维／ 环氧树脂拉挤板材的模量也达到了70Ｇｐａ。这些进展有力地促进了风电叶片大型化的发展， 目前长度80ｍ以下叶片设计基本都是以玻璃纤维为主的材料体系。

      超高模量玻璃纤维拉伸模量已达到理论值的90％左右，已无法继续满足发展更大尺寸的海上风电叶片的要求。碳纤维的拉伸模量比玻璃纤维高3～10倍、比重小30％，在大尺寸风电叶片设计制造上具有明显的优势。随着叶片尺寸增加，重量越来越大，为提高刚度和耐疲劳性能，使用碳纤维替代玻璃纤维成为必然选择，但碳纤维的价格通常为玻璃纤维的8～15倍，兼顾成本因素，部分风电叶片生产企业的长度80～120ｍ的风电叶片采用了碳纤维／玻璃纤维（碳玻）混杂结构，长度120ｍ以上风电叶片则采用纯碳纤维复合材料（见下表）

   碳玻混杂风电叶片拉挤板材可根据实际使用工况和成本因素对碳玻混杂比（碳纤维与玻璃纤维的体积分数比值）进行调整，例如国内某企业生产的碳玻混杂拉挤板材碳玻混杂比有1:2和2:3两种规格。德国Repower公司、丹麦ＬＭ公司、西门子歌美飒、明阳智能的部分型号风电叶片主梁板材均采用了碳玻混杂结构。

 

03 碳纤维风电叶片崛起
       随着海上大功率风电机组的发展， 更大尺寸 叶片成为必经之路， 目前长度120 ｍ以上叶片则必须应用碳纤维板材 （碳板） 进行设计。采用碳板制备的风电叶片不仅力学性能优异， 而且更加节能减排， 以 ３ＭＷ的风电机组为例， 使用碳纤维复合材料叶片与使用玻璃纤维复合材料叶片相比，ＣＯ２总减排量大于1000吨， 当用于更大功率的风电机组时， 使用碳纤维复合材料叶片的ＣＯ２减排效果更加显著。
       当前风电叶片碳板的成型工艺逐渐固化为拉挤成型技术。大丝束碳纤维复合材料拉挤成型工艺流程成为主流，其具体工艺流程如图所示。设备主体包括纱架及导纱装置、 树脂槽、 预成型装置、 加热固化装置、 牵引装置， 切断装置， 配套的还有收卷装置、 控制系统、 安全防护装置及报警装置等。

04 市场展望
       2021～ 2022年， 风电市场发展相对低迷， 中国可再生能源学会风能专业委员会数据显示：2022 年全国新增风电吊装容量同比下降约11％，其中海上风电同比下降超六成。但自2022年底以来， 各地风电项目建设逐渐恢复， 西部陆上、 东部海上风场筹建、 招标正在如火如荼的进行中，各大主机厂及配套厂均在扩产扩能， 据预测， 到2023年年底， 全国配套风电叶片的板材拉挤生产线将达到2500条。中国电力企业联合会发布的《2023 年度全国电力供需形势分析预测报告》 中预计， 2023 年风电新增装机将达到6500万ｋＷ·ｈ，对比 2022 年有巨大增幅。随着在建大丝束碳纤维的产能逐渐释放和新型低成本高效率自动化制备技术的不断进步， 玻璃纤维板材、 碳纤维板材以及新型低成本树脂体系板材将在不同功率的风电叶片应用上形成分赛道竞赛的局面， 原材料、 技术开发、 生产及应用各个环节配合会愈加紧密，我国的风电产业在未来 5 ～ 10年内会有更大规模的爆发式增长。

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