“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。”上海电气风电集团股份有限公司解决方案总经理黄轩在近日举行的风电产业高质量发展高峰论坛暨碳纤维应用研讨会上指出，“加大碳纤维材料在风机叶片上的应用已成必然趋势。”
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。
碳纤维叶片应用已成趋势
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”。
黄轩指出，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。”
除了为海上风电机组大型化提供保障，业界普遍认为，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。
国产碳纤维叶片实现突破
据吉林化纤集团党委书记、董事长宋德武介绍，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%。
在宋德武看来，与航空航天、军工科技等领域相比，风机叶片所需的碳纤维产品标准有所不同，技术成本相对更低，生产过程中，可根据不同性能、工艺和成本，设计不同应用性能和生产工艺参数，相对快速实现碳纤维量产。
在此情况下，近两年来我国碳纤维产业高速增长。数据显示，2022年，国产碳纤维产能达到11.2万吨，供应量首次超过进口量。
金风科技股份有限公司叶片结构主设兼叶片产品经理袁渊指出，近年来，国内碳纤维计划产能增长十分可观，碳纤维叶片的研发应用规模同样快速增长。“早在2017年，国际市场上已有整机制造商开启了碳纤维叶片的应用，LM、西门子歌美飒、维斯塔斯等跨国企业也都有百米级碳纤维叶片产出。随着国内海上风电市场的蓬勃发展，2022年，国内海上大叶片发展实现了全面赶超。目前，国内市场上已有大量海上风机叶片采用碳纤维设计，国内主流整机和叶片厂商也都规划了下一代海上大兆瓦机组，更大的海上风机碳纤维叶片也都在开发之中。”
据了解，目前，明阳智能、上海电气、东方电气、金风科技等国内主流整机商都已开启碳纤维叶片的试验及生产应用。有数据显示，2022年以来，国内新开发、新批量生产的海上风电机组中，超过70%都应用了碳纤维叶片，即使在陆上风电机组中，部分企业也已经开始小批量实测应用碳纤维叶片。
上下游产业链协同必不可少
尽管碳纤维叶片蓝海已经显现，但业界普遍认为，碳纤维叶片未来仍需在成本、制造能力以及叶片状态检测技术上提升，从而进一步打开市场空间。
袁渊坦言，碳纤维材料虽然是大型海上风机叶片开发的必然选择，但实际上成本仍在制约碳纤维材料在风机叶片上的大批量应用。虽然碳纤维价格持续走低，但对应的玻璃纤维价格也在持续下降，从叶片设计角度，碳纤维叶片与传统玻纤叶片相比竞争力仍然有限。
除此以外，业界指出，当前国产纱线碳板与成熟进口纱线碳板性能存在一定差距，有缺陷漏检风险。
为应对行业存在的诸多问题和挑战，洛阳双瑞风电叶片有限公司研发技术中心副主任、高级工程师关洪涛呼吁，碳纤维作为国家战略性新材料，需要产业链协同发展。风电行业需要碳纤维企业继续优化成本，风电企业也需要综合考虑成本和可靠性，同时还应建立风电国产碳纤维的产品标准、碳纤维部件测试和设计许用值的行业规范，促进国产碳纤维和风电行业协同健康发展。
袁渊建议，随着叶轮直径进一步增大以及风电机组逐渐迈向深远海，碳纤维材料的性能稳定、部件结构形式的合理性，以及防雷设计的可靠性都将制约碳纤维在叶片设计中的应用前景。在此情况下，从原材料开发生产到叶片设计，再到批量化生产，都需要相关从业者共同克服应用短板。
