English
簡體中文
隨著風(fēng)電機(jī)組的大型化發(fā)展， 輕量化設(shè)計(jì)要求愈加突出。15ＭＷ 以上級風(fēng)電機(jī)組超長葉片對材料的強(qiáng)度、 剛度和耐疲勞性能提出了更高的要求， 為碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)電葉片領(lǐng)域的批量應(yīng)用提供了前提。小絲束碳纖維力學(xué)性能優(yōu)異， 但受成本因素制約， 在風(fēng)電葉片領(lǐng)域的規(guī)模化推廣應(yīng)用一直停滯不前， 而近十年來大絲束碳纖維的發(fā)展恰恰踏上了全球風(fēng)電復(fù)合材料葉片快速增長的節(jié)拍。2022 年， 風(fēng)電葉片碳纖維用量高達(dá)3.47萬噸， 占全球碳纖維用量的 25.7％， 根據(jù)預(yù)測未來十年風(fēng)電行業(yè)對碳纖維需求依然強(qiáng)勁， 預(yù)計(jì)到 2030年可達(dá) 19.5 萬噸以上， 風(fēng)電板材制造企業(yè)更是提出了對低成本碳纖維的價(jià)格的迫切要求。
02風(fēng)電葉片對復(fù)合材料的需求
風(fēng)電葉片尺寸越長， 整體柔性變形就越大，需要控制運(yùn)行過程中的葉尖撓度變形來保證葉片與塔架之間的安全距離，否則會發(fā)生掃塔事故。
玻璃纖維是目前用量最大的風(fēng)電葉片主梁原材料，據(jù)統(tǒng)計(jì)， 風(fēng)電葉片玻璃纖維用量占我國玻璃纖維總產(chǎn)能的 20％ ～ 25％。玻璃纖維的拉伸模量是影響葉片變形的關(guān)鍵因素之一， 超高模量玻璃纖維對于提升葉片剛度意義重大。近10 年來， 玻璃纖維企業(yè)通過持續(xù)不斷的技術(shù)創(chuàng)新， 開發(fā)了各種規(guī)格的玻璃纖維。從圖中可以看出， 每一代玻璃纖維的模量都提升了 10％左右， 超高模量玻璃纖維／ 環(huán)氧樹脂拉擠板材的模量也達(dá)到了70Ｇｐａ。這些進(jìn)展有力地促進(jìn)了風(fēng)電葉片大型化的發(fā)展， 目前長度80ｍ以下葉片設(shè)計(jì)基本都是以玻璃纖維為主的材料體系。
超高模量玻璃纖維拉伸模量已達(dá)到理論值的90％左右，已無法繼續(xù)滿足發(fā)展更大尺寸的海上風(fēng)電葉片的要求。碳纖維的拉伸模量比玻璃纖維高3～10倍、比重小30％，在大尺寸風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)制造上具有明顯的優(yōu)勢。隨著葉片尺寸增加，重量越來越大，為提高剛度和耐疲勞性能，使用碳纖維替代玻璃纖維成為必然選擇，但碳纖維的價(jià)格通常為玻璃纖維的8～15倍，兼顧成本因素，部分風(fēng)電葉片生產(chǎn)企業(yè)的長度80～120ｍ的風(fēng)電葉片采用了碳纖維／玻璃纖維（碳玻）混雜結(jié)構(gòu)，長度120ｍ以上風(fēng)電葉片則采用純碳纖維復(fù)合材料（見下表）
碳玻混雜風(fēng)電葉片拉擠板材可根據(jù)實(shí)際使用工況和成本因素對碳玻混雜比（碳纖維與玻璃纖維的體積分?jǐn)?shù)比值）進(jìn)行調(diào)整，例如國內(nèi)某企業(yè)生產(chǎn)的碳玻混雜拉擠板材碳玻混雜比有1:2和2:3兩種規(guī)格。德國Repower公司、丹麥ＬＭ公司、西門子歌美颯、明陽智能的部分型號風(fēng)電葉片主梁板材均采用了碳玻混雜結(jié)構(gòu)。
03碳纖維風(fēng)電葉片崛起
隨著海上大功率風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展， 更大尺寸 葉片成為必經(jīng)之路， 目前長度120 ｍ以上葉片則必須應(yīng)用碳纖維板材 （碳板） 進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用碳板制備的風(fēng)電葉片不僅力學(xué)性能優(yōu)異， 而且更加節(jié)能減排， 以 ３ＭＷ的風(fēng)電機(jī)組為例， 使用碳纖維復(fù)合材料葉片與使用玻璃纖維復(fù)合材料葉片相比，ＣＯ２總減排量大于1000噸， 當(dāng)用于更大功率的風(fēng)電機(jī)組時， 使用碳纖維復(fù)合材料葉片的ＣＯ２減排效果更加顯著。
當(dāng)前風(fēng)電葉片碳板的成型工藝逐漸固化為拉擠成型技術(shù)。大絲束碳纖維復(fù)合材料拉擠成型工藝流程成為主流，其具體工藝流程如圖所示。設(shè)備主體包括紗架及導(dǎo)紗裝置、 樹脂槽、 預(yù)成型裝置、 加熱固化裝置、 牽引裝置， 切斷裝置， 配套的還有收卷裝置、 控制系統(tǒng)、 安全防護(hù)裝置及報(bào)警裝置等。
04典型案例
江蘇恒神股份有限公司（中國），致力于碳纖維及其編織和無捻粘接（NCF）織物、預(yù)浸料、樹脂及其他復(fù)合材料的研發(fā)與生產(chǎn)，現(xiàn)宣布獨(dú)家提供碳纖維織物，用于制造由廣東明陽集團(tuán)開發(fā)的MySE292超大型海上風(fēng)電葉片。MySE292葉片長143米，葉輪直徑達(dá)292米，超越了明陽集團(tuán)于2023年1月宣布的18兆瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)型號。該葉片已于今年2月在海南東方智能制造基地成功下線，是迄今為止全球葉輪直徑最大的風(fēng)電機(jī)組。
恒神擁有年產(chǎn)5000噸碳纖維的生產(chǎn)線，產(chǎn)品組合涵蓋生絲、碳纖維、浸漬劑、織物、液態(tài)樹脂、粘合劑、預(yù)浸料、碳纖維復(fù)合部件及航空復(fù)合結(jié)構(gòu)部件。2021年，恒神股份有限公司的24K碳纖維、織物和碳板產(chǎn)品獲得了國際權(quán)威認(rèn)證機(jī)構(gòu)DNV的認(rèn)證。至今，公司已向包括遠(yuǎn)景能源、上海電氣和明陽智慧等國內(nèi)外知名風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造商批量供應(yīng)碳纖維拉擠板和經(jīng)編織物等產(chǎn)品。
恒神表示，2024年將繼續(xù)發(fā)揮整個產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)優(yōu)勢，以創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，突破技術(shù)邊界，推動產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新，并致力于提供超出客戶期望的產(chǎn)品和服務(wù)，助力中國實(shí)現(xiàn)“雙碳經(jīng)濟(jì)”目標(biāo)和綠色可持續(xù)發(fā)展。
05市場展望
2021～ 2022年， 風(fēng)電市場發(fā)展相對低迷， 中國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會數(shù)據(jù)顯示：2022 年全國新增風(fēng)電吊裝容量同比下降約11％，其中海上風(fēng)電同比下降超六成。但自2022年底以來， 各地風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)逐漸恢復(fù)， 西部陸上、 東部海上風(fēng)場籌建、 招標(biāo)正在如火如荼的進(jìn)行中，各大主機(jī)廠及配套廠均在擴(kuò)產(chǎn)擴(kuò)能， 據(jù)預(yù)測， 到2023年年底， 全國配套風(fēng)電葉片的板材拉擠生產(chǎn)線將達(dá)到2500條。中國電力企業(yè)聯(lián)合會發(fā)布的《2023 年度全國電力供需形勢分析預(yù)測報(bào)告》 中預(yù)計(jì)， 2023 年風(fēng)電新增裝機(jī)將達(dá)到6500萬ｋＷ·ｈ，對比 2022 年有巨大增幅。
隨著在建大絲束碳纖維的產(chǎn)能逐漸釋放和新型低成本高效率自動化制備技術(shù)的不斷進(jìn)步， 玻璃纖維板材、 碳纖維板材以及新型低成本樹脂體系板材將在不同功率的風(fēng)電葉片應(yīng)用上形成分賽道競賽的局面， 原材料、 技術(shù)開發(fā)、 生產(chǎn)及應(yīng)用各個環(huán)節(jié)配合會愈加緊密，我國的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在未來 5 ～ 10年內(nèi)會有更大規(guī)模的爆發(fā)式增長。
06參考文獻(xiàn)
[1] 付東升,黃翔宇.大絲束碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)電葉片的應(yīng)用[J].高科技纖維與應(yīng)用,2024,49(01):48-54.
[2]https://www.compositesworld.com/news/hengshen-carbon-fiber-contributes-to-143-meter-long-mingyang-wind-blade.