“海上風(fēng)電機組正朝著大型化、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，當葉片長度超過一定值后，玻璃纖維材料模量增長接近極限，無法滿足葉片大型化、輕量化的需求?！鄙虾ｋ姎怙L(fēng)電集團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)用研討會上指出，“加大碳纖維材料在風(fēng)機葉片上的應(yīng)用已成必然趨勢。”
隨著海上風(fēng)電開發(fā)范圍不斷拓寬，海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新勢在必行。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
近年來，國內(nèi)風(fēng)電裝機量快速增長，國家能源局最新數(shù)據(jù)顯示，今年前7個月，國內(nèi)風(fēng)電新增裝機量達2631萬千瓦，累計裝機量達3.9億千瓦。而隨著平價時代到來，風(fēng)機大型化趨勢尤為凸顯，陸上風(fēng)機單機容量最高突破10兆瓦，海上風(fēng)機單機容量突破18兆瓦，葉片長度也在不斷刷新行業(yè)紀錄。
快速大型化給風(fēng)機葉片材料性能帶來全新考驗，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、強度更高，突破了玻璃纖維材料的性能極限，可保障風(fēng)機葉片在增加長度的同時降低重量?！袄锰祭w維葉片可進一步提升海上風(fēng)電機組設(shè)計上限，甚至可支撐20兆瓦、300米葉輪直徑的機組開發(fā)。”
除了為海上風(fēng)電機組大型化提供保障，業(yè)界普遍認為，隨著我國海上風(fēng)電開發(fā)范圍不斷擴大，深遠海等復(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輸?shù)碾y度，對海上風(fēng)電全生命周期降本有所幫助。
國產(chǎn)碳纖維葉片實現(xiàn)突破
據(jù)吉林化纖集團黨委書記、董事長宋德武介紹，2022年，全球風(fēng)機葉片對碳纖維的需求量占到全球碳纖維需求總量的25.7%，我國風(fēng)機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，與航空航天、軍工科技等領(lǐng)域相比，風(fēng)機葉片所需的碳纖維產(chǎn)品標準有所不同，技術(shù)成本相對更低，生產(chǎn)過程中，可根據(jù)不同性能、工藝和成本，設(shè)計不同應(yīng)用性能和生產(chǎn)工藝參數(shù)，相對快速實現(xiàn)碳纖維量產(chǎn)。
在此情況下，近兩年來我國碳纖維產(chǎn)業(yè)高速增長。數(shù)據(jù)顯示，2022年，國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)能達到11.2萬噸，供應(yīng)量首次超過進口量。
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，國內(nèi)碳纖維計劃產(chǎn)能增長十分可觀，碳纖維葉片的研發(fā)應(yīng)用規(guī)模同樣快速增長。“早在2017年，國際市場上已有整機制造商開啟了碳纖維葉片的應(yīng)用，LM、西門子歌美颯、維斯塔斯等跨國企業(yè)也都有百米級碳纖維葉片產(chǎn)出。隨著國內(nèi)海上風(fēng)電市場的蓬勃發(fā)展，2022年，國內(nèi)海上大葉片發(fā)展實現(xiàn)了全面趕超。目前，國內(nèi)市場上已有大量海上風(fēng)機葉片采用碳纖維設(shè)計，國內(nèi)主流整機和葉片廠商也都規(guī)劃了下一代海上大兆瓦機組，更大的海上風(fēng)機碳纖維葉片也都在開發(fā)之中?！?/p>
據(jù)了解，目前，明陽智能、上海電氣、東方電氣、金風(fēng)科技等國內(nèi)主流整機商都已開啟碳纖維葉片的試驗及生產(chǎn)應(yīng)用。有數(shù)據(jù)顯示，2022年以來，國內(nèi)新開發(fā)、新批量生產(chǎn)的海上風(fēng)電機組中，超過70%都應(yīng)用了碳纖維葉片，即使在陸上風(fēng)電機組中，部分企業(yè)也已經(jīng)開始小批量實測應(yīng)用碳纖維葉片。
上下游產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同必不可少
盡管碳纖維葉片藍海已經(jīng)顯現(xiàn)，但業(yè)界普遍認為，碳纖維葉片未來仍需在成本、制造能力以及葉片狀態(tài)檢測技術(shù)上提升，從而進一步打開市場空間。
袁淵坦言，碳纖維材料雖然是大型海上風(fēng)機葉片開發(fā)的必然選擇，但實際上成本仍在制約碳纖維材料在風(fēng)機葉片上的大批量應(yīng)用。雖然碳纖維價格持續(xù)走低，但對應(yīng)的玻璃纖維價格也在持續(xù)下降，從葉片設(shè)計角度，碳纖維葉片與傳統(tǒng)玻纖葉片相比競爭力仍然有限。
除此以外，業(yè)界指出，當前國產(chǎn)紗線碳板與成熟進口紗線碳板性能存在一定差距，有缺陷漏檢風(fēng)險。
為應(yīng)對行業(yè)存在的諸多問題和挑戰(zhàn)，洛陽雙瑞風(fēng)電葉片有限公司研發(fā)技術(shù)中心副主任、高級工程師關(guān)洪濤呼吁，碳纖維作為國家戰(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，同時還應(yīng)建立風(fēng)電國產(chǎn)碳纖維的產(chǎn)品標準、碳纖維部件測試和設(shè)計許用值的行業(yè)規(guī)范，促進國產(chǎn)碳纖維和風(fēng)電行業(yè)協(xié)同健康發(fā)展。
袁淵建議，隨著葉輪直徑進一步增大以及風(fēng)電機組逐漸邁向深遠海，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)計的可靠性都將制約碳纖維在葉片設(shè)計中的應(yīng)用前景。在此情況下，從原材料開發(fā)生產(chǎn)到葉片設(shè)計，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。(記者 李麗旻)
轉(zhuǎn)自：中國能源報
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