風機葉片材料中碳纖維優勢凸顯

　　

　　風機葉片是將風能轉化為機械能的重要部件之一。業內專家認為，風機葉片材料的強度和剛度是決定風力發電機組性能優劣的關鍵。風機葉片材料在經歷了木材、布蒙皮、金屬蒙皮以及鋁合金后，玻璃鋼復合材料被普遍使用。各國研制大功率風電機組最需要解決的問題是增大風輪直徑捕獲能量，因而，對風機葉片材料的要求也越來越高。

　　

　　彭博新能源財經（BNEF）去年發布的報告 《陸上風電葉片制造與供應鏈分析》指出，全球風機葉片長度未來將有進一步增加的趨勢。由于風機大型化趨勢愈發明顯，大型風機葉片被認為是衡量企業技術實力的主要標志。隨著葉片長度的增加，對葉片材料的性能提出了新的要求，玻璃鋼復合材料逐漸顯現出強度和剛度等方面的不足。風力發電葉片被普遍認為是碳纖維的主要增長市場，使用輕而強、剛而硬的高性能碳纖維復合材料，可以避免葉片在風載作用下發生大變形甚至撞擊風車支柱。

　　

　　國外專家認為，玻璃纖維復合材料性能已經趨于極限，在發展更大功率風電機組和更長轉子葉片時，為了既進一步減少葉片質量，又同時滿足強度與剛度要求，采用性能更好的碳纖維復合材料勢在必行。

　　

　　各國逐漸重視碳纖維材料的應用

　　

　　風機葉片是風能供應鏈中最具價值的一個環節，國外許多廠家都將碳纖維復合材料用于葉片制造中。

　　

　　以丹麥和德國為例，這兩個國家早在上世紀70年代開始用現代技術研發風電機組，已經積累了豐富經驗，形成了非常成熟的技術。丹麥LMGlassfiber“未來”葉片家族中61.5米、5兆瓦風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，5兆瓦風機葉片的整個梁結構都采用了碳纖維，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。

　　

　　目前，全球各大葉片制造商正在進行多方面深入研究，降低葉片制造成本，使碳纖維在風力發電上得到廣泛應用。去年，總部位于荷蘭的風機葉片制造商———艾爾姆風電集團公司制造了世界上最大的風機葉片———LM88.4P。它將用于世界上最大的風力渦輪機，其高度達到180米，當風力渦輪機建造完成，可制造8兆瓦能量，足以對10000個家庭提供電能。據悉，傳統葉片的鋁制設計易受雨水侵蝕，艾爾姆公司的工程團隊選用了一種新研制的材料，研發出了一種擁有五倍耐久力的涂層。艾爾姆公司的工程副總裁RoelSchuring認為，因為使用最為優良的組合材料，憑借目前的葉片，公司擁有著離岸產業中最具競爭力的產品。  歐美等發達國家對風機葉片表現出了極大的興趣并進行了一系列相關技術研發和探索。根據清潔能源技術研究機構NavigantResearch對22家風機制造商和18家獨立風機葉片制造商的調研分析發現，企業對風機葉片的關注在不斷提升。

　　

　　NavigantResearch日前發布的報告稱，去年，全球風機葉片市場收益預計將達到66億美元。未來十年，全球風機葉片累計市場收益有望超過724億美元，其中，亞太地區將是最大的區域市場，累計收益將達到308億美元。

　　

　　“十三五”期間我國將重點開展應用研究

　　

　　風機重量的減少和硬度的增加，有助于葉片產生更多的發電驅動力。隨著我國風電裝機容量的增長速度不斷加快，碳纖維復合材料風機葉片制成的容量風機也將成為發展趨勢。有報告預計，未來碳纖維市場將增長更快，亞太地區占市場的最大份額。特別是發展中國家，例如印度和中國，風機裝機容量最大，并且在一定時期內將以最高的年復合增長率持續增長。

　　

　　有觀點認為，中國國內碳纖維復合材料在風機葉片上的應用還遠落后于世界進程，主要原因是缺乏自主設計的知識產權。

　　

　　國家能源局印發的《能源技術創新“十三五規劃”》指出，我國將開展大尺寸、大厚度碳纖維復合材料主承力件成型技術工程應用研究、碳纖維復合材料風機葉片熱載荷與力學載荷綜合作用研究、碳纖維復合材料風機葉片結構優化設計。此前，國家發展改  革委和國家能源局下發的 《能源技術革命創新行動計劃（2016~2030年）》也明確指出，未來將重點研究葉片碳-玻材料混雜及鋪層優化設計技術。

　　

　　去年11月，國家能源局發布的《風電發展“十三五”規劃》提出，到2020年底，我國風電累計并網裝機容量確保達到2.1億千瓦以上。未來我國將全面開展中東部，南方地區分散風能資源的開發，推進風電產業持續健康發展。目前，我國在沿海及內陸地區陸續開始裝備大量風機，現有風機塔筒也高度不斷提升，低溫環境下的風機葉片結冰成為必須考慮的問題。由于風機葉片在冬季極易結冰，影響動力平衡，而風機葉片轉速較高，離心力較大，在嚴重失衡情況下，葉片容易發生斷裂。“十三五”期間，我國還將著重研究碳纖維復合材料抗冰風機葉片系統優化設計，建立碳纖維復合材料風機葉片制造標準化平臺。