“海上風(fēng)電機(jī)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(fù)合材料，當(dāng)葉片長(zhǎng)度超過(guò)一定值后，玻璃纖維材料模量增長(zhǎng)接近極限，無(wú)法滿(mǎn)足葉片大型化、輕量化的需求。”上海電氣風(fēng)電集團(tuán)股份有限公司解決方案總經(jīng)理黃軒在近日舉行的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展高峰論壇暨碳纖維應(yīng)用研討會(huì)上指出，“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)。”
隨著海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)范圍不斷拓寬，海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新勢(shì)在必行。多家風(fēng)電企業(yè)呼吁上下游產(chǎn)業(yè)鏈加緊協(xié)同，共同推動(dòng)碳纖維新材料產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。
碳纖維葉片應(yīng)用已成趨勢(shì)
近年來(lái)，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(wàn)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(lái)，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(lái)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”。
黃軒指出，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。“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(kāi)發(fā)。”
除了為海上風(fēng)電機(jī)組大型化提供保障，業(yè)界普遍認(rèn)為，隨著我國(guó)海上風(fēng)電開(kāi)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。
國(guó)產(chǎn)碳纖維葉片實(shí)現(xiàn)突破
據(jù)吉林化纖集團(tuán)黨委書(shū)記、董事長(zhǎng)宋德武介紹，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%。
在宋德武看來(lái)，與航空航天、軍工科技等領(lǐng)域相比，風(fēng)機(jī)葉片所需的碳纖維產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)有所不同，技術(shù)成本相對(duì)更低，生產(chǎn)過(guò)程中，可根據(jù)不同性能、工藝和成本，設(shè)計(jì)不同應(yīng)用性能和生產(chǎn)工藝參數(shù)，相對(duì)快速實(shí)現(xiàn)碳纖維量產(chǎn)。
在此情況下，近兩年來(lái)我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)高速增長(zhǎng)。數(shù)據(jù)顯示，2022年，國(guó)產(chǎn)碳纖維產(chǎn)能達(dá)到11.2萬(wàn)噸，供應(yīng)量首次超過(guò)進(jìn)口量。
金風(fēng)科技股份有限公司葉片結(jié)構(gòu)主設(shè)兼葉片產(chǎn)品經(jīng)理袁淵指出，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)碳纖維計(jì)劃產(chǎn)能增長(zhǎng)十分可觀，碳纖維葉片的研發(fā)應(yīng)用規(guī)模同樣快速增長(zhǎng)。“早在2017年，國(guó)際市場(chǎng)上已有整機(jī)制造商開(kāi)啟了碳纖維葉片的應(yīng)用，LM、西門(mén)子歌美颯、維斯塔斯等跨國(guó)企業(yè)也都有百米級(jí)碳纖維葉片產(chǎn)出。隨著國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，2022年，國(guó)內(nèi)海上大葉片發(fā)展實(shí)現(xiàn)了全面趕超。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上已有大量海上風(fēng)機(jī)葉片采用碳纖維設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)主流整機(jī)和葉片廠商也都規(guī)劃了下一代海上大兆瓦機(jī)組，更大的海上風(fēng)機(jī)碳纖維葉片也都在開(kāi)發(fā)之中。”
據(jù)了解，目前，明陽(yáng)智能、上海電氣、東方電氣、金風(fēng)科技等國(guó)內(nèi)主流整機(jī)商都已開(kāi)啟碳纖維葉片的試驗(yàn)及生產(chǎn)應(yīng)用。有數(shù)據(jù)顯示，2022年以來(lái)，國(guó)內(nèi)新開(kāi)發(fā)、新批量生產(chǎn)的海上風(fēng)電機(jī)組中，超過(guò)70%都應(yīng)用了碳纖維葉片，即使在陸上風(fēng)電機(jī)組中，部分企業(yè)也已經(jīng)開(kāi)始小批量實(shí)測(cè)應(yīng)用碳纖維葉片。
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(lái)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(kāi)市場(chǎng)空間。
袁淵坦言，碳纖維材料雖然是大型海上風(fēng)機(jī)葉片開(kāi)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)。
為應(yīng)對(duì)行業(yè)存在的諸多問(wèn)題和挑戰(zhàn)，洛陽(yáng)雙瑞風(fēng)電葉片有限公司研發(fā)技術(shù)中心副主任、高級(jí)工程師關(guān)洪濤呼吁，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。
袁淵建議，隨著葉輪直徑進(jìn)一步增大以及風(fēng)電機(jī)組逐漸邁向深遠(yuǎn)海，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。在此情況下，從原材料開(kāi)發(fā)生產(chǎn)到葉片設(shè)計(jì)，再到批量化生產(chǎn)，都需要相關(guān)從業(yè)者共同克服應(yīng)用短板。
