風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)機葉片是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，而碳纖維作為一種新的材料廣泛應(yīng)用于風(fēng)機葉片的制造中。隨著風(fēng)機越來越大，風(fēng)機葉片材質(zhì)的要求也越來越高，碳纖維也因其性能優(yōu)勢得到了廣泛的應(yīng)用。

風(fēng)力發(fā)電市場現(xiàn)狀

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”。

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%。

為了更好的應(yīng)用性能優(yōu)勢，加大碳纖維材料在風(fēng)機葉片上的應(yīng)用已成必然趨勢。

碳纖維葉片應(yīng)用優(yōu)勢

風(fēng)機葉片材料在經(jīng)歷了木材、布蒙皮、金屬蒙皮以及鋁合金后，玻璃鋼復(fù)合材料被普遍使用。各國研制大功率風(fēng)電機組最需要解決的問題是增大風(fēng)輪直徑捕獲能量，因而，對風(fēng)機葉片材料的要求也越來越高。

那采用碳纖維材料后的風(fēng)機葉片與玻璃纖維相比，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。

有實際的應(yīng)用上面標示利用碳纖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)。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。

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。

碳纖維材料是大型海上風(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。

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。才能應(yīng)對行業(yè)存在的諸多問題和挑戰(zhàn)，智上新材研發(fā)更高性能的熱塑性碳纖維復(fù)合材料也是更好的把碳纖維性能展示出來，能夠在更多的行業(yè)領(lǐng)域中得到更好的應(yīng)用表現(xiàn)。

除了碳纖維性能之外，我們還要關(guān)注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。

在國外已經(jīng)有很多大型風(fēng)電機組采用了碳纖維風(fēng)機葉片，以丹麥和德國為例，這兩個國家早在上世紀70年代開始用現(xiàn)代技術(shù)研發(fā)風(fēng)電機組，已經(jīng)積累了豐富經(jīng)驗，形成了非常成熟的技術(shù)。丹麥LMGlassfiber“未來”葉片家族中61.5米、5兆瓦風(fēng)機的葉片在梁和端部都選用了碳纖維。德國葉片制造商NordexRotor制造的56米，5兆瓦風(fēng)機葉片的整個梁結(jié)構(gòu)都采用了碳纖維，他們認為葉片跨越一定尺寸后，碳纖維葉片的制造成本并不比玻璃纖維的成本高。