風電葉片需要用到哪些材料?逐個剖析

很多人都知道玻纖和碳纖在風電領中應用很大,但是具體應用在哪里,可能會不太清楚,今天就說一說玻璃纖維、碳纖維、輕木、硬質泡沫(PU、PVC、PET和HPE等)在葉片和機艙罩中的應用。
  一、  先來看看市場份額
  在風電行業,玻纖主要被應用于制造風電葉片與機艙罩部分;碳纖維主要應用大尺寸的葉片和機艙罩;輕木主要用于葉片;硬質泡沫主要用于葉片和少部分用于機艙罩。在整架風機成本中,葉片占風機成本20%。
  目前已經成為規模大的風電市場。根據風能協會的統計,截至2019年底,風電累計裝機容量為2.1億千瓦,其中陸上風電累計裝機2.04億千瓦、海上風電累計裝機593萬千瓦,風電裝機占全部發電裝機的10.4%。
  隨著2021 年陸上風電進入平價時代,未來風電需求的增長主要依賴于度電成本的下降,大容量、長葉片、高塔架是被認為是降低度電成本的主要手段。1GW 風電葉片需 1萬噸玻纖用量,隨著風機機型容量越來越大,風機葉片朝著大型化趨勢演變,每兆瓦風電葉片所需玻纖、碳纖以及芯材用量增加。
  二、增強材料和夾芯材料在風電行業的具體應用
  增強材料和夾芯材料在風電行業的應用,主要體現在葉片、機艙罩和輪轂罩上。
  1、 葉片的材料主要成分:
葉
  圖3.葉片內部結構圖
 ?。?)外殼:風機葉片的兩個半殼,通常具有較復雜的空氣動力學造型。
  蒙皮主要采用玻璃纖維(單軸向和雙軸縫編織物)增強環氧樹脂,提供氣動外形并承擔大部分剪切載荷。后緣空腔較寬,采用夾芯結構(芯材有輕木和硬質泡沫),提高其抗失穩能力。主梁主要為單向復合材料層增強(大尺寸的葉片基本上都是采用碳纖維增強環氧樹脂),是葉片的主要承載結構。
 ?。?)腹板:又叫內部梁,玻璃纖維(或少部分使用碳纖)+夾芯材料增強環氧樹脂制備而成的夾芯結構,主要用于支撐葉片外殼,并承擔葉片所受到的彎曲載荷,腹板常采用工字梁結構以減輕重量。
 ?。?)梁帽:用于連接腹板和葉片外殼,主要使用到玻璃纖維布和碳纖維布。
 ?。?)擋雨環:安裝于葉根處,用于防止雨水流入風機
 ?。?)人孔蓋:用于連接葉片與風機主軸
 ?。?)避雷系統:由于風機較為高大且處于空曠地帶,而雷擊也是造成風機損壞的一大原因,因此避雷對于風機非常重要。
  2、機艙罩的材料主要成分
  機艙罩內放置風電機器設備,主要保護驅動部件不至于暴露于外部氣候條件,減低氣動聲輻射,提供予維護人員維修期間安全保障。
  機艙罩主要使用玻璃纖維布(雙軸向,夾芯縫編氈)和硬質泡沫,有些大型的機艙罩也使用碳纖維雙軸織物,樹脂主要是不飽和聚酯樹脂。
  3、輪轂罩的材料主要成分
  輪轂罩,指風機輪轂的外保護罩。由于在風機迎風狀態下,氣流會依照導流罩的流線型均勻分流,故稱導流罩。也稱為輪轂罩、輪轂帽等。
  輪轂罩的結構一般分為整體型導流罩、分體型導流罩兩大類。常見的分體型導流罩是由3個1/3罩體部件和一個罩頭部件用機械連接的方法拼合而成。
  國內的導流罩主要是玻璃鋼導流罩,主要采用玻璃纖維縫編織物和氈,采用不飽和聚酯樹脂,采用真空導入模塑(VARTM)、LightRTM、手糊成型的方法成型制造。
  三、玻纖、碳纖以及芯材在風電行業的前景
  政策是我國風電產業發展的驅動力,同時也是導致市場供需關系變化的根本原因。
  2020年12月,主席習近平在氣候雄心峰會上提到:到 2030年,單位國內生產總值二氧化碳排放將比 2005年下降 65%以上,非化石能源占一次能源消費比重將達到 25%左右,森林蓄積量將比 2005年增加 60億立方米,風電、太陽能發電總裝機容量將達到 12億千瓦以上。
  2019年 5月,發改委下發《關于完善風電上網電價政策的通知》,再次調低風電上網電價,并次明確陸上風電平價,2020年底以后陸上風電補貼取消。2019-2020 年風機設備搶裝進入高潮,預計 2020年新增風電裝機同比增長 20%以上。
  風電用玻纖紗、碳纖以及輕木和硬質泡沫需求都因此緊俏,自 2019 年底,玻纖企業紛紛對產品結構進行調整,加大對風電用玻纖紗的生產.
  2021年底以后海上風電補貼將取消,海上風機設備也將進入搶裝高峰期。由于 2020年疫情影響,部分風電項目建成時間延遲,預計 2021年風電行業高景氣度將會持續,但是不會像2020年那樣急速,風機裝機量將會慢慢趨于平緩。