海上风电机组正朝着大型化、轻量化的方向发展,但传统叶片制造材料主要为玻璃纤维复合材料,当叶片长度超过一定值后,玻璃纤维材料模量增长接近极限,无法满足叶片大型化、轻量化的需求。随着海上风电开发范围不断拓宽,海上风电产业链创新势在必行。多家风电企业呼吁上下游产业链加紧协同,共同推动碳纤维新材料产业健康发展。近年来,国内风电装机量快速增长,国家能源局最新数据显示,今年前7个月,国内风电新增装机量达2631万千瓦,累计装机量达3.9亿千瓦。而随着平价时代到来,风机大型化趋势尤为凸显,陆上风机单机容量最高突破10兆瓦,海上风机单机容量突破18兆瓦,叶片长度也在不断刷新行业纪录。
快速大型化给风机叶片材料性能带来全新考验,传统玻璃纤维复合材料性能不足的情况下,碳纤维成为最新的“潜力股”。
与玻璃纤维相比,碳纤维的比模量和比强度均大幅增加,碳纤维复合材料比玻璃纤维复合材料密度更低、强度更高,突破了玻璃纤维材料的性能极限,可保障风机叶片在增加长度的同时降低重量。“利用碳纤维叶片可进一步提升海上风电机组设计上限,甚至可支撑20兆瓦、300米叶轮直径的机组开发。随着我国海上风电开发范围不断扩大,深远海等复杂工况区域对叶片提出了更高要求,碳纤维材料的高强度性能将能适应更加恶劣的工况环境。另外,轻量化叶片还可以降低吊装和运输的难度,对海上风电全生命周期降本有所帮助。
2022年,全球风机叶片对碳纤维的需求量占到全球碳纤维需求总量的25.7%,我国风机叶片碳纤维需求量也占碳纤维整体需求的23.5%。
风机叶片是将风能转化为机械能的重要部件之一。业内专家认为,风机叶片材料的强度和刚度是决定风力发电机组性能优劣的关键。风机叶片材料在经历了木材、布蒙皮、金属蒙皮以及铝合金后,玻璃钢复合材料被普遍使用。各国研制大功率风电机组最需要解决的问题是增大风轮直径捕获能量,因而,对风机叶片材料的要求也越来越高。
以丹麦和德国为例,这两个国家早在上世纪70年代开始用现代技术研发风电机组,已经积累了丰富经验,形成了非常成熟的技术。丹麦LMGlassfiber“未来”叶片家族中61.5米、5兆瓦风机的叶片在梁和端部都选用了碳纤维。德国叶片制造商NordexRotor制造的56米,5兆瓦风机叶片的整个梁结构都采用了碳纤维,他们认为叶片跨越一定尺寸后,碳纤维叶片的制造成本并不比玻璃纤维的成本高。