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碳纖維助力風電葉片的發展

2023-12-06 來源:北方研究院 瀏覽數:552

1、現有葉片的基礎結構及市場主要葉片材料方案葉片在結構組成上主要由芯材、基材、增強材料和表面涂料組成,生產一片葉片,原材

1、現有葉片的基礎結構及市場主要葉片材料方案

葉片在結構組成上主要由芯材、基材、增強材料和表面涂料組成,生產一片葉片,原材料方面的成本能達到七成。目前市面上陸上風機主要材料為玻璃纖維,將比例纖維應用于主梁、殼體、葉根結構,但現有風機有開始逐步增大碳纖維在葉片中的應用,通過引入碳纖維來滿足大型風機葉片輕量化需求。下圖分別為風機葉片的基本結構、風機葉片的成本組成、風機葉片各材料的成本占比。

圖1 風機葉片的基本結構

圖2 風機葉片的成本組成

圖3 風機葉片各材料的成本占比

隨著降低風機生產成本的需求,現有葉片的材料體系正經歷革新。在生產風機葉片的前期,應用于葉片上的風機材料相對單一,基材主要應用環氧樹脂、增強材料主要采用的玻璃纖維、芯材則以輕木為主。為降低葉片的對成本的影響,行業內近幾年不斷出現多種葉片的替代方案,其中廣受行業青睞的是PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)部分替代輕木、PU(聚氨酯)替代環氧樹脂技術。下圖為葉片各個組成行業內常見的應用材料。

圖4 葉片各個組成常見的應用材料

2、碳纖維有望解決風機大型化對葉片的需求

統計近幾年來公開的招投標數據:2020年,國內新增風電機組平均單機容量為2.66MW,2MW及以上機型占據主流;2021年以來,部分新增陸上風電項目開始要求中標單機容量達4MW及以上,中標風電機組中4MW-5MW的機型成為主流。統計顯示,2021年,新增陸上風電項目的平均單機容量已超過了3MW,較2020年大幅提升;2022年,陸上風機平均單機容量已達4.2MW,部分陸上風電項目已明確要求中標風機單機容量需達到5MW-6MW。再以具體項目來看,2022年11月,內蒙古蘇尼特左旗發改委更是發布消息稱,總裝機容量瓦的超大容量機組,其中7.15MW機組刷新了我國陸地批量投入使用的最大容量風機機組紀錄。

圖5 2012-2022年陸上新增單機容量

圖6 部分陸上項目招標單機容量要求

大風機的研發使得葉片在長度、重量方面都有所增加,對比模量、比強度要求提升,葉片長度加長是風機實現大功率的主要手段之一。根據華泰研究(GWEC)預測,大功率風機直徑有望達到200-240m范圍,對應單個葉片長度約100-120m。同時,今年五月,東方電氣順利下線配套13-18MW風機的126米超長葉片,是目前全球已下線最長葉片。但隨著葉片長度的增加,控制葉片整體的剛度難度增加,為了避免掃塔等運行事故,對材料的模量提出了要求,早期行業內通過玻璃纖維來增強整體的強度、剛度,但現有發展似乎到了瓶頸。

圖7 每代玻璃纖維材料的拉伸量

圖8 風機單機容量及葉片長度的發展預測

使用碳纖維主梁的大型風電葉片具有顯著的優勢。據《復合材料在大型風電葉片上的應用與發展》(李成良,2022年7月15日,ISSN:1000-3851)的研究表明,碳纖維的模量比玻纖高出3-8倍,比重則約低30%,因此能夠同時滿足葉片大型化和輕量化的需求。中材科技在2023年3月30日的調研公告中推薦,對于100米以上的海風葉片,應采用碳?;旌系募夹g路線。目前,碳纖維已被廣泛應用于海風葉片的主梁。據Wood Mackenzie預測,碳纖維拉擠板在陸風和海風主梁材料中的滲透率將逐步提高。因此,采用碳纖維主梁的大型風電葉片具有很大的必要性。

3、碳纖維市場產量及價格變動趨勢

隨著國內碳纖維廠商產能的提高,碳纖維價格的下降有望進一步推動其滲透率提升。根據《2022全球碳纖維復合材料市場報告》(賽奧科技,2023年3月23日)的統計,2022年中國碳纖維原絲及碳纖維運行產能達到11.2萬噸,同比增長76.74%。此外,根據精工科技在2023年6月21日調研活動公告中的信息,今年一季度國內碳纖維擬新建產能超過8萬噸,遠期總產能接近18萬噸。國內廠商的碳纖維產能擴張有望帶動碳纖維價格的大幅下降,從而進一步提高碳纖維在風電葉片中的滲透率。

圖9 全球碳纖維各廠家規劃產量匯總

圖10 碳纖維市場價格走勢圖

4、總結

(1)現陸上風機已實現平價,同時隨著沙戈荒多批次風光大基地的陸續開發,陸上風機未來幾年發展空間大。

(2)市場對于新增風機的單機容量要求逐漸增大,作為風機主要構件的葉片,其發展趨勢必然是大型化、輕量化。碳纖維材料的優越性能能解決大型化風機的需求。

(3)碳纖維價格下跌,為推進碳纖維在葉片中的葉片開發提供有利的外部條件。


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