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碳纤维助力风电叶片的发展

2023-12-06 来源:北方研究院 浏览数:233

1、现有叶片的基础结构及市场主要叶片材料方案叶片在结构组成上主要由芯材、基材、增强材料和表面涂料组成,生产一片叶片,原材

1、现有叶片的基础结构及市场主要叶片材料方案

叶片在结构组成上主要由芯材、基材、增强材料和表面涂料组成,生产一片叶片,原材料方面的成本能达到七成。目前市面上陆上风机主要材料为玻璃纤维,将比例纤维应用于主梁、壳体、叶根结构,但现有风机有开始逐步增大碳纤维在叶片中的应用,通过引入碳纤维来满足大型风机叶片轻量化需求。下图分别为风机叶片的基本结构、风机叶片的成本组成、风机叶片各材料的成本占比。

图1 风机叶片的基本结构

图2 风机叶片的成本组成

图3 风机叶片各材料的成本占比

随着降低风机生产成本的需求,现有叶片的材料体系正经历革新。在生产风机叶片的前期,应用于叶片上的风机材料相对单一,基材主要应用环氧树脂、增强材料主要采用的玻璃纤维、芯材则以轻木为主。为降低叶片的对成本的影响,行业内近几年不断出现多种叶片的替代方案,其中广受行业青睐的是PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)部分替代轻木、PU(聚氨酯)替代环氧树脂技术。下图为叶片各个组成行业内常见的应用材料。

图4 叶片各个组成常见的应用材料

2、碳纤维有望解决风机大型化对叶片的需求

统计近几年来公开的招投标数据:2020年,国内新增风电机组平均单机容量为2.66MW,2MW及以上机型占据主流;2021年以来,部分新增陆上风电项目开始要求中标单机容量达4MW及以上,中标风电机组中4MW-5MW的机型成为主流。统计显示,2021年,新增陆上风电项目的平均单机容量已超过了3MW,较2020年大幅提升;2022年,陆上风机平均单机容量已达4.2MW,部分陆上风电项目已明确要求中标风机单机容量需达到5MW-6MW。再以具体项目来看,2022年11月,内蒙古苏尼特左旗发改委更是发布消息称,总装机容量瓦的超大容量机组,其中7.15MW机组刷新了我国陆地批量投入使用的最大容量风机机组纪录。

图5 2012-2022年陆上新增单机容量

图6 部分陆上项目招标单机容量要求

大风机的研发使得叶片在长度、重量方面都有所增加,对比模量、比强度要求提升,叶片长度加长是风机实现大功率的主要手段之一。根据华泰研究(GWEC)预测,大功率风机直径有望达到200-240m范围,对应单个叶片长度约100-120m。同时,今年五月,东方电气顺利下线配套13-18MW风机的126米超长叶片,是目前全球已下线最长叶片。但随着叶片长度的增加,控制叶片整体的刚度难度增加,为了避免扫塔等运行事故,对材料的模量提出了要求,早期行业内通过玻璃纤维来增强整体的强度、刚度,但现有发展似乎到了瓶颈。

图7 每代玻璃纤维材料的拉伸量

图8 风机单机容量及叶片长度的发展预测

使用碳纤维主梁的大型风电叶片具有显著的优势。据《复合材料在大型风电叶片上的应用与发展》(李成良,2022年7月15日,ISSN:1000-3851)的研究表明,碳纤维的模量比玻纤高出3-8倍,比重则约低30%,因此能够同时满足叶片大型化和轻量化的需求。中材科技在2023年3月30日的调研公告中推荐,对于100米以上的海风叶片,应采用碳玻混合的技术路线。目前,碳纤维已被广泛应用于海风叶片的主梁。据Wood Mackenzie预测,碳纤维拉挤板在陆风和海风主梁材料中的渗透率将逐步提高。因此,采用碳纤维主梁的大型风电叶片具有很大的必要性。

3、碳纤维市场产量及价格变动趋势

随着国内碳纤维厂商产能的提高,碳纤维价格的下降有望进一步推动其渗透率提升。根据《2022全球碳纤维复合材料市场报告》(赛奥科技,2023年3月23日)的统计,2022年中国碳纤维原丝及碳纤维运行产能达到11.2万吨,同比增长76.74%。此外,根据精工科技在2023年6月21日调研活动公告中的信息,今年一季度国内碳纤维拟新建产能超过8万吨,远期总产能接近18万吨。国内厂商的碳纤维产能扩张有望带动碳纤维价格的大幅下降,从而进一步提高碳纤维在风电叶片中的渗透率。

图9 全球碳纤维各厂家规划产量汇总

图10 碳纤维市场价格走势图

4、总结

(1)现陆上风机已实现平价,同时随着沙戈荒多批次风光大基地的陆续开发,陆上风机未来几年发展空间大。

(2)市场对于新增风机的单机容量要求逐渐增大,作为风机主要构件的叶片,其发展趋势必然是大型化、轻量化。碳纤维材料的优越性能能解决大型化风机的需求。

(3)碳纤维价格下跌,为推进碳纤维在叶片中的叶片开发提供有利的外部条件。


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