什么使碳纖維風(fēng)電葉片中看又中用

每千克百元，或是碳纖維材料不僅受風(fēng)電領(lǐng)域廣泛關(guān)注，還可以達到規(guī)模化應(yīng)用的臨界點。

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(yīng)可能傳遞到整個產(chǎn)業(yè)，擾動甚至決定風(fēng)電葉片技術(shù)與市場的未來走向。

有分析者判斷，相關(guān)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(shè)計優(yōu)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(shù)迭代與大規(guī)模應(yīng)用的大高潮將近在眼前。判斷基于這樣的一項數(shù)據(jù)：近年來，全球風(fēng)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(yè)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(shè)計更開放，擴大碳纖維在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。但今時不同往日，這畢竟是20年前工業(yè)水平下的發(fā)明，中國風(fēng)電企業(yè)已經(jīng)研制了更先進的替代技術(shù)。

同時，因葉片設(shè)計、制造理念不同，專利技術(shù)到期后還有很多先行者已經(jīng)遇到和未曾遇到的問題需要解決。中復(fù)連眾副總經(jīng)理劉衛(wèi)生對《風(fēng)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(shù)。”

那么中國碳纖維主梁葉片到底經(jīng)歷了什么，使專業(yè)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(shù)發(fā)展方向與強烈的市場需求導(dǎo)向，讓他們從未停止自己的腳步。

試水積極

制造風(fēng)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(fù)合材料的應(yīng)用，才在一定程度上做到了性能、成本與可靠性兼顧。隨著風(fēng)電機組越來越大，葉片越來越長，被譽為下一代風(fēng)電葉片關(guān)鍵材料的碳纖維，開始在風(fēng)電領(lǐng)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(fā)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(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，已是被發(fā)明的百年之后，距今不過數(shù)十年。

“葉片越來越長，對材料性能的要求不斷提高，碳纖維質(zhì)量輕，強度與模量高，是目前風(fēng)電葉片首選材料。”有分析者認為：“碳纖維應(yīng)用在葉片中的部位包括部分蒙皮、前緣、后緣等，目前應(yīng)用最多的部分是風(fēng)電葉片的主梁。”

據(jù)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(guān)鍵構(gòu)件。使用碳纖維主梁，能夠在最大程度節(jié)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(tài)下應(yīng)力與應(yīng)變之比。彈性模量可視為衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標，該值越大，使材料發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力也越大，即材料剛度越大，亦即在一定應(yīng)力作用下，發(fā)生彈性變形越小。

國內(nèi)某廠家對某款葉片進行E8級別玻璃纖維應(yīng)用性能測試的結(jié)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(shè)計時可進一步降低主機、塔筒等的重量，實現(xiàn)整機降本。另一種思路是，進一步加大主機風(fēng)輪直徑，從而提高機組利用低風(fēng)速風(fēng)能資源的能力，提升發(fā)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(fù)連眾就下線了應(yīng)用碳纖維主梁的75米葉片，采用真空導(dǎo)入工藝。之后，這家企業(yè)又采用碳纖維預(yù)浸料制造碳纖維主梁。

“目前，中復(fù)連眾自主開發(fā)的76米碳纖維預(yù)浸料主梁葉片已生產(chǎn)220套;由某整機商提供設(shè)計的90米碳纖維預(yù)浸料主梁葉片，共生產(chǎn)44套。”劉衛(wèi)生介紹：“中復(fù)連眾正在研發(fā)其他碳纖維利用技術(shù)，為整機商制造102米、110米的碳纖維葉片。”

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(fēng)。據(jù)某整機商一位葉片領(lǐng)域?qū)＜医榻B，該公司在研或下線的10兆瓦級以上葉片，基本都在主梁區(qū)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(yè)外，金風(fēng)科技、遠景能源、明陽智能、電氣風(fēng)電、中國海裝、東方電氣等整機企業(yè)，中材科技、時代新材等葉片企業(yè)均在研發(fā)或已推出使用碳纖維材料的風(fēng)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(chǎn)品。

成本高企

“隨著海上風(fēng)電機組進一步大型化，葉片發(fā)展到百米以上，應(yīng)用碳纖維材料可使葉片與整機的綜合效益越發(fā)明顯，目前百米級海上風(fēng)電葉片基本都采用了碳纖維主梁。”劉衛(wèi)生提道。

面對碳纖維材料在風(fēng)電葉片領(lǐng)域應(yīng)用的增加，碳纖維的需求量也不斷提高。有統(tǒng)計信息顯示，到2016年，風(fēng)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(lǐng)域。2021年，全球風(fēng)電葉片碳纖維使用量為3萬噸，中國風(fēng)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(fēng)電葉片碳纖維需求量將超過9萬噸。“十四五”期間，全球風(fēng)電葉片碳纖維市場需求的年復(fù)合增長率可達30%。

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

“目前，國內(nèi)碳纖維的性能基本得到了風(fēng)電行業(yè)的認可，但價格過高導(dǎo)致其性價比不高是影響碳纖維葉片進一步規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵因素。”劉衛(wèi)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。“最關(guān)鍵的當然是價格和供應(yīng)因素，這兩點相關(guān)。產(chǎn)能和技術(shù)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。”上述整機商葉片領(lǐng)域?qū)＜艺J為。

2022年4月，光威復(fù)材發(fā)布的《2021年年度報告》提到，由于受到進口限制造成供應(yīng)缺口以及疫情的影響，國產(chǎn)碳纖維行業(yè)環(huán)境和國內(nèi)市場供求格局發(fā)生歷史性變化，碳纖維價格快速上漲，供應(yīng)嚴重緊張，并從個別型號產(chǎn)品蔓延到民用全系列產(chǎn)品，以碳纖維為原材料的碳梁業(yè)務(wù)受到成本快速上漲影響業(yè)務(wù)盈利能力下滑，而原材料短缺造成訂單交付不足，導(dǎo)致2021年上半年公司碳梁業(yè)務(wù)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(yīng)鏈管理、積極開發(fā)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(xiàn)業(yè)務(wù)穩(wěn)定增長，產(chǎn)品盈利能力得到一定程度改善，毛利率恢復(fù)到15.07%。

目前，風(fēng)電葉片約占風(fēng)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(fēng)電機組價格卻在近兩年持續(xù)下降，帶動葉片呈現(xiàn)價格下降趨勢。這使因采用碳纖維主梁導(dǎo)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(yīng)用在玻璃纖維主梁的制造上。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維拉擠主梁與玻璃纖維灌注主梁相比有諸多優(yōu)勢，包括效率高、成本低、質(zhì)量穩(wěn)定性好，且不用改變?nèi)~片設(shè)計，不需要模具和輔料等。

2021年2月，電氣風(fēng)電采用玻璃纖維拉擠板材工藝生產(chǎn)的海上風(fēng)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(chǎn)的TMT185風(fēng)電葉片在內(nèi)蒙古鄂爾多斯裝備制造工業(yè)園區(qū)下線，該葉片長91米，是當時國內(nèi)已下線的最長陸上風(fēng)電葉片。據(jù)統(tǒng)計，目前具備拉擠復(fù)合材料板材研發(fā)、生產(chǎn)制造能力的生產(chǎn)廠、葉片廠商以及行業(yè)內(nèi)其他第三方設(shè)計機構(gòu)，接近30家。

可以說，拉擠玻璃纖維主梁已經(jīng)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(shù)發(fā)展遇到新的瓶頸。

新的突破

“隨著上游企業(yè)的增資擴產(chǎn)，如果今、明兩年我國碳纖維材料產(chǎn)能得到大幅提高，推動市場價格降至百元以下，風(fēng)電行業(yè)會全方位擴大應(yīng)用規(guī)模。”上述葉片專家判斷。

保守偏樂觀的市場預(yù)期畢竟只是預(yù)期，存在一定不確定性因素。對于企業(yè)而言，在理性選擇與保持好自身技術(shù)路線與研發(fā)節(jié)奏的同時，緊跟發(fā)展潮流更現(xiàn)實。雖然絕大多數(shù)企業(yè)將碳纖維視作未來風(fēng)電葉片材料的必然發(fā)展方向，但在碳纖維高昂的成本與持續(xù)降低的主機價格的市場背景下，部分企業(yè)選擇了一條折中的技術(shù)研發(fā)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(yīng)用于主梁的新材料。”某廠家一位技術(shù)負責(zé)人向《風(fēng)能》解釋。

推出碳玻混主梁葉片，并不代表上述廠家在純碳纖維主梁葉片技術(shù)上有所缺失，或是將在碳?；熘髁喝~片技術(shù)上一路走到底。“我們尚未推出純碳纖維主梁葉片，但作為技術(shù)儲備預(yù)研，會適時推向市場。”上述技術(shù)負責(zé)人強調(diào)。

據(jù)稱，碳玻混拉擠葉片相比玻璃纖維葉片要求更精細的生產(chǎn)管控水平，包括針對結(jié)構(gòu)強度和防雷系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝流程。同時，也需要更高的打磨精度指標和防雷系統(tǒng)接口的工藝控制。與相同規(guī)格傳統(tǒng)工藝的玻璃纖維葉片相比，碳玻混主梁葉片可減重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(xiàn)降本。

公開信息顯示，除中復(fù)連眾外，當下正在研發(fā)制造碳玻混主梁葉片技術(shù)的企業(yè)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(nèi)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(nèi)最長碳纖維海上風(fēng)電葉片，采用雙梁三腹板、碳?；齑罅旱慕Y(jié)構(gòu)形式，既解決了結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題，又極大提高了其抗臺風(fēng)性能。

未來，風(fēng)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(yīng)變更高、密度更低等。葉片制造企業(yè)希望有突破300GPa拉伸模量的碳纖維材料應(yīng)用于葉片設(shè)計上，前提當然是要滿足風(fēng)電大規(guī)模生產(chǎn)對于用得起價格的需求。這確實需要整機企業(yè)、葉片企業(yè)，及上游碳纖維原料和原絲生產(chǎn)企業(yè)共同努力，以縮小同國際龍頭企業(yè)深層次的技術(shù)差距。

拋開碳纖維主梁葉片本身，整機與葉片企業(yè)也在同上游一道，在其他葉片材料技術(shù)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(fā)展也能讓民用產(chǎn)業(yè)用得起。我們也會借鑒航空航天領(lǐng)域的材料應(yīng)用與設(shè)計理念。但風(fēng)電使用新型材料的原則仍然是性能出色，具有經(jīng)濟性，質(zhì)量穩(wěn)定可控。對于工藝，風(fēng)電這種大規(guī)模生產(chǎn)的追求還是效率越高越好，工序越簡單越好，操作參數(shù)窗口越大越好。”

具體來說，這些技術(shù)方向?qū)山到饪苫厥諛渲?、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(shè)備、更精準高效的工藝控制技術(shù)、低界面能的除冰和環(huán)境保護材料，以及耐極限環(huán)境的膠粘劑等。