【風電葉片】復合材料在大型風電葉片上的應用與發展
日期：2023-02-08
來源：艾邦復合材料網
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隨著風電行業進入平價時代，度電成本降低的有效手段就是不斷擴大風電機組的單機容量，由此也帶來風電葉片長度的不斷增加。因此，平價時代機組大型化是風電發展的必然趨勢，開發“大型化、輕量化和低成本”葉片是推動機組度電成本降低的有效手段。復合材料由于其優異的力學性能和可設計性被廣泛應用于航空航天、汽車和風電葉片，為實現功率更大、長度更長、重量更輕和成本更低，復合材料成為風電葉片唯一可選材料。作為決定葉片結構和成本的增強纖維、夾芯材料、基體樹脂和結構膠，其應用和發展趨勢對葉片行業未來的發展至關重要，特別是高性價比材料的技術進步決定了大葉片未來的發展方向。目前也有不少研究機構對復合材料的性能及其回收再利用進行了諸多研討，對其成型工藝做了許多研究，但仍缺少有關材料開發與成型工藝創新結合應用方面的研究。
近年來風電產業迅猛發展，根據風能理事會 (GWEC) 統計 (圖 1)，2020 年受風電搶裝潮的影響，新增裝機取得歷史性突破，新增裝機量高達 95.3 GW；2021 年雖然受到疫情影響，但新增裝機量仍達到 93.6 GW，為歷史第二高。風電憑借國內巨大市場優勢和內外“雙循環”保持地位，為乃至的新能源應用做出了巨大貢獻。
根據風能理事會發布的《2022 年風電報告》[1]，預計未來 5 年風電市場將保持年均6.6% 的增速 (圖 2)。能源局基于“雙碳”戰略制定的十四五規劃，風能將成為未來能源的主要形式，并將是能源結構轉型的主力軍。如圖 3所示，根據伍德麥肯茲預測，未來 10 年內風電復合增長率為 4.3%，風電新增裝機量將占45%，風電將繼續引領風電的增長。
隨著風電產業發展和風電技術進步，基于風資源使用效率持續提升和度電成本不斷降低的要求，風電機組大型化已成為行業發展必然趨勢，如圖 4 所示。目前，陸上風電機組主流機型集中在 4.0~5.0 MW 的機組，6.0 MW 以上的機型是未來幾年陸上的主打產品，而海上當前的成熟機型為6.0 MW 左右，10 MW 及以上的機組及其關鍵部件處于研發階段。
葉片作為風電機組的核心部件，是風能轉化的動力源泉，其良好的設計、可靠的質量和優越的性能是保證機組正常穩定運行的決定因素，是推動機組大型化的關鍵環節。當前新研發的更長更輕的陸上主流葉片長度都在 90 m 以上，海上主流葉片長度都在 100 m 以上，超大型機組及其輕量大葉片的進一步發展，使高性價比復合材料成為突破葉片“大型化、輕量化和高可靠性”的核心所在，增強纖維、夾芯材料和基體樹脂等在葉片上發揮的作用也越來越大。復合材料可滿足葉片變截面、曲率大和結構鋪層漸變等特征要求，纖維增強復合材料已成為大葉片的唯一可選材料，這也使風電葉片成為上大的復合材料單體部件。一般來說，材料選擇在葉片結構設計定型時完成，但新的葉片設計理念就是將材料前置，與氣動、結構形成多目標一體化迭代，不斷尋優葉片和主機匹配的佳發電量、載荷與成本，目前陸上 8.0 MW 以下葉片設計都是玻璃纖維為主的材料體系，而海上12 MW 以上葉片則須考慮應用碳纖維主梁進行設計。
風電葉片的典型結構如圖 5 所示，其應用的原材料主要由增強纖維、樹脂、芯材和結構膠等組成。
復合材料的增強纖維類別有很多，早期葉片上試用過天然的竹纖維，但由于性能偏低和供應不足問題不具備在大葉片批量應用的條件；玄武巖纖維近幾年也是葉片應用研討的熱點，但因其密度大、成本高和產能有限，也不具備規?；瘧玫臈l件。因此，目前風電葉片主要應用的增強纖維還是玻璃纖維和碳纖維。玻璃纖維是公認的優質風電葉片原材料，根據玻璃纖維協會的統計數據，風電用玻璃纖維占玻璃纖維總產能的 20%~25% 左右。葉片越長整體柔性變形就越大，控制葉尖撓度變形可以確保葉片與塔架之間具有足夠的安全距離，否則很容易發生掃塔事故。玻璃纖維的拉伸模量是影響葉片變形的關鍵因素之一，因此其模量的增加對葉片剛度的提升意義重大。
玻璃纖維在葉片的蒙皮、腹板和主梁上都有廣泛的應用，不同部件采用的纖維布類型因承載需要而各有差異。雖然玻璃纖維經過近幾十年的發展進步斐然，但對于適應更大更輕葉片需求，玻璃纖維性能提升的空間也越來越小，亟需新材料和新工藝等新技術來推動風電葉片的發展。與玻璃纖維相比，碳纖維的比模量和比強度均大幅增加，其模量比玻璃纖維高 3~8 倍、比重約小 30％。隨著葉片尺寸的增加，其重量也越來越大，全玻璃纖維葉片無法滿足機組大型化和輕量化的要求，碳纖維將成為實現超大型葉片輕質高強要求的理想選擇材料。碳纖維主要有 3 K、12 K、24 K、48 K 等規格，其中 1~24 K(含) 為小絲束產品，主要在航空航天和軍品上應用，而 24 K以上為大絲束產品，主要應用于風電葉片和民用產品。碳纖維產能集中于日本和歐美等地區，小絲束產能主要集中在日本，而大絲束產能主要集中于歐美。國際上碳纖維產能排名前 6 的公司分別是東麗、卓爾泰克、三菱、SGL、帝人與赫氏，日本東麗收購卓泰克后總產能達到 4.95萬噸，是名副其實的龍頭企業。
為了進一步推動國產碳纖維在風電葉片上的應用，國內主流的碳纖維供應商在十四五期間開始提高碳纖維產能和批量化生產供應，并通過提升技術、改進設備和減少能耗來降低成本。預計到 2030 年碳纖維產能為 30 萬噸，而風電市場的需求預計在 19~20 萬噸。當前葉片上應用的碳纖維多選擇 48~50 K 的大絲束，但隨著葉片更長更輕的要求不斷提升，未來將會考慮性能更好的 24 K 及以下碳纖維應用于 150 m 長的葉片上。因此，推動葉片大型化和國產化碳纖維的應用需要風電產業鏈上下游共同努力，從選材、設計和驗證等方面提前布局，為碳纖維和風電葉片行業的可持續發展奠定堅實基礎。
