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        什么使碳纖維風電葉片中看又中用

        2022-08-01 11:21:59   來源:中國能源網    瀏覽:190

        每千克百元,或是碳纖維材料不僅受風電領域廣泛關注,還可以達到規?;瘧玫呐R界點。

        20年前,維斯塔斯在丹麥、中國申請了一項專利;20年后,專利到期的蝴蝶效應可能傳遞到整個產業,擾動甚至決定風電葉片技術與市場的未來走向。

        有分析者判斷,相關拉擠工藝碳纖維主梁葉片專利的到期將成為一個里程碑事件,掀起葉片設計優化的小高潮,倘若碳纖維材料的價格再跟上市場需求的腳步,技術迭代與大規模應用的大高潮將近在眼前。判斷基于這樣的一項數據:近年來,全球風電葉片碳纖維需求量在3萬噸左右,維斯塔斯就占了2萬噸,這是市場的力量,也是專利的力量。

        對于資本市場的歡欣鼓舞,專業廠商似乎并不買賬。他們認為,專利到期會使碳纖維主梁葉片的設計更開放,擴大碳纖維在風電領域的應用范圍。但今時不同往日,這畢竟是20年前工業水平下的發明,中國風電企業已經研制了更先進的替代技術。

        同時,因葉片設計、制造理念不同,專利技術到期后還有很多先行者已經遇到和未曾遇到的問題需要解決。中復連眾副總經理劉衛生對《風能》坦言:“這些問題不是照搬照抄就能解決的,需要我們不斷探索新知,擁有自己的核心技術?!?/p>

        那么中國碳纖維主梁葉片到底經歷了什么,使專業廠商在利好面前這般心無旁騖又從容不迫?答案是明晰的技術發展方向與強烈的市場需求導向,讓他們從未停止自己的腳步。

        試水積極

        制造風電葉片的材料一直在更迭。從最初耐久性不足的木材,到加工難度大的金屬,直至玻璃纖維這一高分子復合材料的應用,才在一定程度上做到了性能、成本與可靠性兼顧。隨著風電機組越來越大,葉片越來越長,被譽為下一代風電葉片關鍵材料的碳纖維,開始在風電領域得到推廣。

        這是一種既久遠又新興的材料。早在1880年愛迪生發明電燈時,首次將棉花、大麻和竹子等天然植物纖維碳化,用作白熾燈的燈絲。然而,其在航天與防護領域得到廣泛應用,已是被發明的百年之后,距今不過數十年。

        “葉片越來越長,對材料性能的要求不斷提高,碳纖維質量輕,強度與模量高,是目前風電葉片首選材料?!庇蟹治稣哒J為:“碳纖維應用在葉片中的部位包括部分蒙皮、前緣、后緣等,目前應用最多的部分是風電葉片的主梁?!?/p>

        據了解,主梁一般會占葉片整體重量的三分之一,卻是支撐整支葉片的關鍵構件。使用碳纖維主梁,能夠在最大程度節約成本的前提下,保證葉片強度,降低整體重量。

        模量是指材料在受力狀態下應力與應變之比。彈性模量可視為衡量材料產生彈性變形難易程度的指標,該值越大,使材料發生一定彈性變形的應力也越大,即材料剛度越大,亦即在一定應力作用下,發生彈性變形越小。

        國內某廠家對某款葉片進行E8級別玻璃纖維應用性能測試的結果顯示,采用纖維灌注工藝的玻璃纖維0°拉伸與壓縮模量分別為54GPa、52GPa;碳纖維則為120GPa、115GPa。除強度有所提升外,碳纖維主梁葉片的重量也比玻璃纖維有所下降。采用高模玻璃纖維灌注主梁的重量為3.6噸;采用碳纖維拉擠主梁的重量僅為1.4噸。上述整支葉片的重量可以從13.5噸,降低至11.8噸。

        葉片強度提升疊加減重作用,帶來的直接好處是可以降低整機載荷,在設計時可進一步降低主機、塔筒等的重量,實現整機降本。另一種思路是,進一步加大主機風輪直徑,從而提高機組利用低風速風能資源的能力,提升發電效率。

        因此,我國整機與葉片廠商紛紛布局碳纖維主梁葉片。早在2014年,中復連眾就下線了應用碳纖維主梁的75米葉片,采用真空導入工藝。之后,這家企業又采用碳纖維預浸料制造碳纖維主梁。

        “目前,中復連眾自主開發的76米碳纖維預浸料主梁葉片已生產220套;由某整機商提供設計的90米碳纖維預浸料主梁葉片,共生產44套?!眲⑿l生介紹:“中復連眾正在研發其他碳纖維利用技術,為整機商制造102米、110米的碳纖維葉片?!?/p>

        獨立葉片廠在加大碳纖維主梁葉片投入,整機商下屬葉片廠同樣不落下風。據某整機商一位葉片領域專家介紹,該公司在研或下線的10兆瓦級以上葉片,基本都在主梁區域使用了碳纖維材料,即將推出的110米級以上的葉片主梁也使用了這種材料。

        除上述企業外,金風科技、遠景能源、明陽智能、電氣風電、中國海裝、東方電氣等整機企業,中材科技、時代新材等葉片企業均在研發或已推出使用碳纖維材料的風電葉片,其中不乏長度超過百米,搭載于單機容量10兆瓦以上整機的產品。

        成本高企

        “隨著海上風電機組進一步大型化,葉片發展到百米以上,應用碳纖維材料可使葉片與整機的綜合效益越發明顯,目前百米級海上風電葉片基本都采用了碳纖維主梁?!眲⑿l生提道。

        面對碳纖維材料在風電葉片領域應用的增加,碳纖維的需求量也不斷提高。有統計信息顯示,到2016年,風電葉片以1.8萬噸的需求量取代航空航天,成為全球碳纖維市場需求最大的領域。2021年,全球風電葉片碳纖維使用量為3萬噸,中國風電葉片用碳纖維需求量高達2萬噸,占全國碳纖維需求總量的40%左右。到2025年,全球風電葉片碳纖維需求量將超過9萬噸?!笆奈濉逼陂g,全球風電葉片碳纖維市場需求的年復合增長率可達30%。

        在明確的需求面前,一種材料或產品最終能否實現大規模應用,不僅取決于自身性能,也與成本息息相關。這在碳纖維主梁葉片上同樣適用。

        “目前,國內碳纖維的性能基本得到了風電行業的認可,但價格過高導致其性價比不高是影響碳纖維葉片進一步規?;瘧玫年P鍵因素?!眲⑿l生表示。

        與成倍提高的性能和成倍減少的重量相比,碳纖維材料高出10倍的價格在眼下顯得有些競爭力不足?!白铌P鍵的當然是價格和供應因素,這兩點相關。產能和技術水平限制了碳纖維材料成本的下降,碳纖維價格目前在150元/千克以上,玻璃纖維不足15元/千克,這極大地限制了碳纖維的使用量?!鄙鲜稣麢C商葉片領域專家認為。

        2022年4月,光威復材發布的《2021年年度報告》提到,由于受到進口限制造成供應缺口以及疫情的影響,國產碳纖維行業環境和國內市場供求格局發生歷史性變化,碳纖維價格快速上漲,供應嚴重緊張,并從個別型號產品蔓延到民用全系列產品,以碳纖維為原材料的碳梁業務受到成本快速上漲影響業務盈利能力下滑,而原材料短缺造成訂單交付不足,導致2021年上半年公司碳梁業務勉強持平,毛利率從往年的22%下降到11%左右。2021年下半年,該公司多措并舉,加強供應鏈管理、積極開發新的資源,緩解原材料緊張造成的訂單交付不足狀況,最終全年實現業務穩定增長,產品盈利能力得到一定程度改善,毛利率恢復到15.07%。

        目前,風電葉片約占風電機組成本的22%,是成本第二高的部件。在碳纖維材料價格上漲的同時,風電機組價格卻在近兩年持續下降,帶動葉片呈現價格下降趨勢。這使因采用碳纖維主梁導致的葉片成本增加,難以被市場接受。

        面對碳纖維主梁高企的成本和專利保護,我國廠商早在2年前就開展了“曲線救國”行動,大膽嘗試將拉擠工藝應用在玻璃纖維主梁的制造上。結果發現,玻璃纖維拉擠主梁與玻璃纖維灌注主梁相比有諸多優勢,包括效率高、成本低、質量穩定性好,且不用改變葉片設計,不需要模具和輔料等。

        2021年2月,電氣風電采用玻璃纖維拉擠板材工藝生產的海上風電葉片S90通過靜力測試,打破了當時玻璃纖維葉片世界最長紀錄。2022年年初,由時代新材自主研制生產的TMT185風電葉片在內蒙古鄂爾多斯裝備制造工業園區下線,該葉片長91米,是當時國內已下線的最長陸上風電葉片。據統計,目前具備拉擠復合材料板材研發、生產制造能力的生產廠、葉片廠商以及行業內其他第三方設計機構,接近30家。

        可以說,拉擠玻璃纖維主梁已經成為碳纖維主梁葉片最有力的競爭者,除非碳纖維材料成本能夠得到一定降低,或是拉擠玻璃纖維主梁技術發展遇到新的瓶頸。

        新的突破

        “隨著上游企業的增資擴產,如果今、明兩年我國碳纖維材料產能得到大幅提高,推動市場價格降至百元以下,風電行業會全方位擴大應用規模?!鄙鲜鋈~片專家判斷。

        保守偏樂觀的市場預期畢竟只是預期,存在一定不確定性因素。對于企業而言,在理性選擇與保持好自身技術路線與研發節奏的同時,緊跟發展潮流更現實。雖然絕大多數企業將碳纖維視作未來風電葉片材料的必然發展方向,但在碳纖維高昂的成本與持續降低的主機價格的市場背景下,部分企業選擇了一條折中的技術研發方向,即碳?;熘髁喝~片。

        “我們將碳纖維與玻璃纖維混合拉擠成型,運用于葉片主梁部位,綜合了玻璃纖維的低成本和碳纖維的高性能,是應用于主梁的新材料?!蹦硰S家一位技術負責人向《風能》解釋。

        推出碳?;熘髁喝~片,并不代表上述廠家在純碳纖維主梁葉片技術上有所缺失,或是將在碳?;熘髁喝~片技術上一路走到底?!拔覀兩形赐瞥黾兲祭w維主梁葉片,但作為技術儲備預研,會適時推向市場?!鄙鲜黾夹g負責人強調。

        據稱,碳?;炖瓟D葉片相比玻璃纖維葉片要求更精細的生產管控水平,包括針對結構強度和防雷系統的生產工藝流程。同時,也需要更高的打磨精度指標和防雷系統接口的工藝控制。與相同規格傳統工藝的玻璃纖維葉片相比,碳?;熘髁喝~片可減重20%,但由于使用了一部分碳纖維材料,目前相比玻璃纖維主梁葉片無法實現降本。

        公開信息顯示,除中復連眾外,當下正在研發制造碳?;熘髁喝~片技術的企業還有西門子歌美颯、艾爾姆、Repower、明陽智能、運達股份等。2021年7月,國內某廠家的一款碳?;熘髁喝~片下線,成為當時全球最長的碳?;炖瓟D葉片。2022年6月11日,運達股份10MW級110米海上葉片YD110通過全尺寸靜力測試,是當前國內最長碳纖維海上風電葉片,采用雙梁三腹板、碳?;齑罅旱慕Y構形式,既解決了結構失穩問題,又極大提高了其抗臺風性能。

        未來,風電葉片對碳纖維材料性能有永無止境的需求,如模量更高、極限應變更高、密度更低等。葉片制造企業希望有突破300GPa拉伸模量的碳纖維材料應用于葉片設計上,前提當然是要滿足風電大規模生產對于用得起價格的需求。這確實需要整機企業、葉片企業,及上游碳纖維原料和原絲生產企業共同努力,以縮小同國際龍頭企業深層次的技術差距。

        拋開碳纖維主梁葉片本身,整機與葉片企業也在同上游一道,在其他葉片材料技術上尋找新的突破口。上述葉片專家提道:“希望未來有更多高精尖的材料,比如碳纖維這樣之前用于軍工的超輕超強材料,由于軍民融合政策的發展也能讓民用產業用得起。我們也會借鑒航空航天領域的材料應用與設計理念。但風電使用新型材料的原則仍然是性能出色,具有經濟性,質量穩定可控。對于工藝,風電這種大規模生產的追求還是效率越高越好,工序越簡單越好,操作參數窗口越大越好?!?/p>

        具體來說,這些技術方向將包括可降解可回收樹脂、高分子芯材、更高模量的纖維增強材料、更高效的缺陷檢測工藝和設備、更精準高效的工藝控制技術、低界面能的除冰和環境保護材料,以及耐極限環境的膠粘劑等。


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