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什么使碳纤维风电叶片中看又中用
来源:风能,北极星风力发电网
关键词:风电叶片
阅读:35次
2022-07-07 07:36:46.0

每千克百元,或是碳纤维材料不仅受风电领域广泛关注,还可以达到规模化应用的临界点。

20年前,维斯塔斯在丹麦、中国申请了一项专利;20年后,专利到期的蝴蝶效应可能传递到整个产业,扰动甚至决定风电叶片技术与市场的未来走向。

有分析者判断,相关拉挤工艺碳纤维主梁叶片专利的到期将成为一个里程碑事件,掀起叶片设计优化的小高潮,倘若碳纤维材料的价格再跟上市场需求的脚步,技术迭代与大规模应用的大高潮将近在眼前。判断基于这样的一项数据:近年来,全球风电叶片碳纤维需求量在3万吨左右,维斯塔斯就占了2万吨,这是市场的力量,也是专利的力量。

对于资本市场的欢欣鼓舞,专业厂商似乎并不买账。他们认为,专利到期会使碳纤维主梁叶片的设计更开放,扩大碳纤维在风电领域的应用范围。但今时不同往日,这毕竟是20年前工业水平下的发明,中国风电企业已经研制了更先进的替代技术。

同时,因叶片设计、制造理念不同,专利技术到期后还有很多先行者已经遇到和未曾遇到的问题需要解决。中复连众副总经理刘卫生对《风能》坦言:“这些问题不是照搬照抄就能解决的,需要我们不断探索新知,拥有自己的核心技术。”

那么中国碳纤维主梁叶片到底经历了什么,使专业厂商在利好面前这般心无旁骛又从容不迫?答案是明晰的技术发展方向与强烈的市场需求导向,让他们从未停止自己的脚步。

试水积极

制造风电叶片的材料一直在更迭。从最初耐久性不足的木材,到加工难度大的金属,直至玻璃纤维这一高分子复合材料的应用,才在一定程度上做到了性能、成本与可靠性兼顾。随着风电机组越来越大,叶片越来越长,被誉为下一代风电叶片关键材料的碳纤维,开始在风电领域得到推广。

这是一种既久远又新兴的材料。早在1880年爱迪生发明电灯时,首次将棉花、大麻和竹子等天然植物纤维碳化,用作白炽灯的灯丝。然而,其在航天与防护领域得到广泛应用,已是被发明的百年之后,距今不过数十年。

“叶片越来越长,对材料性能的要求不断提高,碳纤维质量轻,强度与模量高,是目前风电叶片首选材料。”有分析者认为:“碳纤维应用在叶片中的部位包括部分蒙皮、前缘、后缘等,目前应用最多的部分是风电叶片的主梁。”

据了解,主梁一般会占叶片整体重量的三分之一,却是支撑整支叶片的关键构件。使用碳纤维主梁,能够在最大程度节约成本的前提下,保证叶片强度,降低整体重量。

模量是指材料在受力状态下应力与应变之比。弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标,该值越大,使材料发生一定弹性变形的应力也越大,即材料刚度越大,亦即在一定应力作用下,发生弹性变形越小。

国内某厂家对某款叶片进行E8级别玻璃纤维应用性能测试的结果显示,采用纤维灌注工艺的玻璃纤维0°拉伸与压缩模量分别为54GPa、52GPa;碳纤维则为120GPa、115GPa。除强度有所提升外,碳纤维主梁叶片的重量也比玻璃纤维有所下降。采用高模玻璃纤维灌注主梁的重量为3.6吨;采用碳纤维拉挤主梁的重量仅为1.4吨。上述整支叶片的重量可以从13.5吨,降低至11.8吨。

叶片强度提升叠加减重作用,带来的直接好处是可以降低整机载荷,在设计时可进一步降低主机、塔筒等的重量,实现整机降本。另一种思路是,进一步加大主机风轮直径,从而提高机组利用低风速风能资源的能力,提升发电效率。

因此,我国整机与叶片厂商纷纷布局碳纤维主梁叶片。早在2014年,中复连众就下线了应用碳纤维主梁的75米叶片,采用真空导入工艺。之后,这家企业又采用碳纤维预浸料制造碳纤维主梁。

“目前,中复连众自主开发的76米碳纤维预浸料主梁叶片已生产220套;由某整机商提供设计的90米碳纤维预浸料主梁叶片,共生产44套。”刘卫生介绍:“中复连众正在研发其他碳纤维利用技术,为整机商制造102米、110米的碳纤维叶片。”

独立叶片厂在加大碳纤维主梁叶片投入,整机商下属叶片厂同样不落下风。据某整机商一位叶片领域专家介绍,该公司在研或下线的10兆瓦级以上叶片,基本都在主梁区域使用了碳纤维材料,即将推出的110米级以上的叶片主梁也使用了这种材料。

除上述企业外,金风科技、远景能源、明阳智能、电气风电、中国海装、东方电气等整机企业,中材科技、时代新材等叶片企业均在研发或已推出使用碳纤维材料的风电叶片,其中不乏长度超过百米,搭载于单机容量10兆瓦以上整机的产品。

成本高企

“随着海上风电机组进一步大型化,叶片发展到百米以上,应用碳纤维材料可使叶片与整机的综合效益越发明显,目前百米级海上风电叶片基本都采用了碳纤维主梁。”刘卫生提道。

面对碳纤维材料在风电叶片领域应用的增加,碳纤维的需求量也不断提高。有统计信息显示,到2016年,风电叶片以1.8万吨的需求量取代航空航天,成为全球碳纤维市场需求最大的领域。2021年,全球风电叶片碳纤维使用量为3万吨,中国风电叶片用碳纤维需求量高达2万吨,占全国碳纤维需求总量的40%左右。到2025年,全球风电叶片碳纤维需求量将超过9万吨。“十四五”期间,全球风电叶片碳纤维市场需求的年复合增长率可达30%。

在明确的需求面前,一种材料或产品最终能否实现大规模应用,不仅取决于自身性能,也与成本息息相关。这在碳纤维主梁叶片上同样适用。

“目前,国内碳纤维的性能基本得到了风电行业的认可,但价格过高导致其性价比不高是影响碳纤维叶片进一步规模化应用的关键因素。”刘卫生表示。

与成倍提高的性能和成倍减少的重量相比,碳纤维材料高出10倍的价格在眼下显得有些竞争力不足。“最关键的当然是价格和供应因素,这两点相关。产能和技术水平限制了碳纤维材料成本的下降,碳纤维价格目前在150元/千克以上,玻璃纤维不足15元/千克,这极大地限制了碳纤维的使用量。”上述整机商叶片领域专家认为。

2022年4月,光威复材发布的《2021年年度报告》提到,由于受到进口限制造成供应缺口以及疫情的影响,国产碳纤维行业环境和国内市场供求格局发生历史性变化,碳纤维价格快速上涨,供应严重紧张,并从个别型号产品蔓延到民用全系列产品,以碳纤维为原材料的碳梁业务受到成本快速上涨影响业务盈利能力下滑,而原材料短缺造成订单交付不足,导致2021年上半年公司碳梁业务勉强持平,毛利率从往年的22%下降到11%左右。2021年下半年,该公司多措并举,加强供应链管理、积极开发新的资源,缓解原材料紧张造成的订单交付不足状况,最终全年实现业务稳定增长,产品盈利能力得到一定程度改善,毛利率恢复到15.07%。

目前,风电叶片约占风电机组成本的22%,是成本第二高的部件。在碳纤维材料价格上涨的同时,风电机组价格却在近两年持续下降,带动叶片呈现价格下降趋势。这使因采用碳纤维主梁导致的叶片成本增加,难以被市场接受。

面对碳纤维主梁高企的成本和专利保护,我国厂商早在2年前就开展了“曲线救国”行动,大胆尝试将拉挤工艺应用在玻璃纤维主梁的制造上。结果发现,玻璃纤维拉挤主梁与玻璃纤维灌注主梁相比有诸多优势,包括效率高、成本低、质量稳定性好,且不用改变叶片设计,不需要模具和辅料等。

2021年2月,电气风电采用玻璃纤维拉挤板材工艺生产的海上风电叶片S90通过静力测试,打破了当时玻璃纤维叶片世界最长纪录。2022年年初,由时代新材自主研制生产的TMT185风电叶片在内蒙古鄂尔多斯装备制造工业园区下线,该叶片长91米,是当时国内已下线的最长陆上风电叶片。据统计,目前具备拉挤复合材料板材研发、生产制造能力的生产厂、叶片厂商以及行业内其他第三方设计机构,接近30家。

可以说,拉挤玻璃纤维主梁已经成为碳纤维主梁叶片最有力的竞争者,除非碳纤维材料成本能够得到一定降低,或是拉挤玻璃纤维主梁技术发展遇到新的瓶颈。

新的突破

“随着上游企业的增资扩产,如果今、明两年我国碳纤维材料产能得到大幅提高,推动市场价格降至百元以下,风电行业会全方位扩大应用规模。”上述叶片专家判断。

保守偏乐观的市场预期毕竟只是预期,存在一定不确定性因素。对于企业而言,在理性选择与保持好自身技术路线与研发节奏的同时,紧跟发展潮流更现实。虽然绝大多数企业将碳纤维视作未来风电叶片材料的必然发展方向,但在碳纤维高昂的成本与持续降低的主机价格的市场背景下,部分企业选择了一条折中的技术研发方向,即碳玻混主梁叶片。

“我们将碳纤维与玻璃纤维混合拉挤成型,运用于叶片主梁部位,综合了玻璃纤维的低成本和碳纤维的高性能,是应用于主梁的新材料。”某厂家一位技术负责人向《风能》解释。

推出碳玻混主梁叶片,并不代表上述厂家在纯碳纤维主梁叶片技术上有所缺失,或是将在碳玻混主梁叶片技术上一路走到底。“我们尚未推出纯碳纤维主梁叶片,但作为技术储备预研,会适时推向市场。”上述技术负责人强调。

据称,碳玻混拉挤叶片相比玻璃纤维叶片要求更精细的生产管控水平,包括针对结构强度和防雷系统的生产工艺流程。同时,也需要更高的打磨精度指标和防雷系统接口的工艺控制。与相同规格传统工艺的玻璃纤维叶片相比,碳玻混主梁叶片可减重20%,但由于使用了一部分碳纤维材料,目前相比玻璃纤维主梁叶片无法实现降本。

公开信息显示,除中复连众外,当下正在研发制造碳玻混主梁叶片技术的企业还有西门子歌美飒、艾尔姆、Repower、明阳智能、运达股份等。2021年7月,国内某厂家的一款碳玻混主梁叶片下线,成为当时全球最长的碳玻混拉挤叶片。2022年6月11日,运达股份10MW级110米海上叶片YD110通过全尺寸静力测试,是当前国内最长碳纤维海上风电叶片,采用双梁三腹板、碳玻混大梁的结构形式,既解决了结构失稳问题,又极大提高了其抗台风性能。

未来,风电叶片对碳纤维材料性能有永无止境的需求,如模量更高、极限应变更高、密度更低等。叶片制造企业希望有突破300GPa拉伸模量的碳纤维材料应用于叶片设计上,前提当然是要满足风电大规模生产对于用得起价格的需求。这确实需要整机企业、叶片企业,及上游碳纤维原料和原丝生产企业共同努力,以缩小同国际龙头企业深层次的技术差距。

抛开碳纤维主梁叶片本身,整机与叶片企业也在同上游一道,在其他叶片材料技术上寻找新的突破口。上述叶片专家提道:“希望未来有更多高精尖的材料,比如碳纤维这样之前用于军工的超轻超强材料,由于军民融合政策的发展也能让民用产业用得起。我们也会借鉴航空航天领域的材料应用与设计理念。但风电使用新型材料的原则仍然是性能出色,具有经济性,质量稳定可控。对于工艺,风电这种大规模生产的追求还是效率越高越好,工序越简单越好,操作参数窗口越大越好。”

具体来说,这些技术方向将包括可降解可回收树脂、高分子芯材、更高模量的纤维增强材料、更高效的缺陷检测工艺和设备、更精准高效的工艺控制技术、低界面能的除冰和环境保护材料,以及耐极限环境的胶粘剂等。


作者:《风能》赵靓

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