风电叶片越来越长 复合材料功不可没

　　风能在可再生能源领域继续占据主导地位，并且一直是世界上最大的玻璃纤维增强复合材料市场。随着叶片越来越长，叶片制造商正在寻找在不牺牲性能的情况下减轻大型结构重量的方法，也在使用碳纤维。风电叶片仍然是复合材料的关键市场领域。 根据Acumen Research and Consulting 《全球行业分析，市场规模，机遇与预测，2017–2023年》的预测，全球风力涡轮机复合材料市场的价值到2023年可能超过120亿美元，并且预计到2023年将以9.6%的复合年增长率增长。

　　

　　近年来，随着风力发电机功率的快速提升，风电叶片正朝着大型化、轻量化、智能化方面发展，这对叶片材料的强度和刚度等性能提出新的要求。那么，如何优化复合材料生产工艺，提升材料性能，确保风电叶片稳定可靠?

　　

　　国电联合动力技术有限公司董事长褚景春说：“复合材料创新应用是推动风电行业发展的一支重要力量，也是实现风电技术创新的一个重要引擎。我们要创新前沿技术，研制全新的高强度、轻量化碳纤维复合材料，保障风电行业低成本高质量发展。”

 

　　复合材料作用重要

　　

　　近年来，风电叶片实现快速发展，叶片长度从2015年的40-50米增长至如今的80-90米甚至100米以上。在叶片制造技术不断地升级过程中，复合材料是风电叶片的核心材料，起到至关重要的作用，决定着叶片的成本、性能、价格。

　　

　　“风电复合材料是风电叶片所必需的材料，特别是对叶片的性能、强度有着重大影响。”中国可再生能源学会风能专业委员会高级顾问杜广平说，当前，风电行业已经进入到平价上网时代，大容量风电机组将成为主导产品，而复合材料质量和性能直接关系到风电机组的质量和成本。

　　

　　褚景春说：“无论是陆上风电还是海上风电，风电机组逐渐走向大型化，这就需要大叶片支撑。当叶片达到一定长度后，复合材料创新应用起到很重要的作用。一方面，可以使得叶片更长、更轻、性能更优;另一方面，也能改善风电机组气动荷载，提高发电量，降低度电成本。”

　　

　　2018年9月，三菱重工维斯塔斯（MHI Vestas）宣布其V164涡轮机平台已达到10兆瓦的额定功率，成为第一台商用双位数风力涡轮机。尽管10兆瓦的涡轮机要到2021年才能安装，但2018年4月在苏格兰阿伯丁湾的Vattenfall的欧洲海上风电部署中心（EOWDC）部署了8.8兆瓦的V164。高度为191米，每个叶片长80米。 2019年初，西门子Gamesa可再生能源公司（SGRE，西班牙Zamudio）推出了SG 10.0-193 DD，这是该公司的首台10兆瓦以上海上风力发电机。它具有94米长的叶片（每个叶片的长度与一个足球场相同），提供29,300平方米的扫掠面积。据说一个SG 10.0-193 DD的年发电量足以为大约10,000个欧洲家庭供电。此外，西门子歌美飒正在丹麦的奥尔堡建造世界上最大的风力涡轮机叶片试验台。该站点将能够对下一代SGRE转子叶片进行全面测试，并有望在2019年底之前全面投入运营。据报道，首批测试将在SG 10.0-193 DD的94米长叶片上进行。

　　

　　“叶片设计、制造及运行状态的好坏直接影响到风电整机的性能和发电效率。”浙江恒石纤维基业有限公司产品研发部经理夏晓林表示，使用新型复合材料，可以提升风电叶片力学性能、疲劳性能，缩短叶片生产周期，降低叶片生产成本。“比如，叶片使用聚氨酯材料，其力学性能提升幅度在15%-20%。同时，叶片主梁成本可以降低5%-10%”。

 

　　亟待降本增效

　　

　　随着叶片行业的快速发展,叶片材料相关领域取得较大突破,但仍存在性能、成本等方面的瓶颈。

　　

　　杜广平认为，叶片长度、重量、载荷、发电量、成本等多个条件制约了高性能、大容量、超长、轻量化风机叶片的发展，而这些制约因素说到底是风电叶片复合材料创新应用。一方面国产风电叶片复合材料相关性能有待提高，另一方面复合材料的成本有待降低。

　　

　　目前，叶片成本约占风机价格总成本的20%左右，叶片材料占叶片成本80%，甚至85%以上。

　　

　　夏晓林说，当前，市场主流高性能材料主要有两大类：一类是玻璃纤维的材料，一类是碳纤维材料。而这两种高性能复合材料的价格相对较高。“因此，开发一种性能介于玻璃纤维和碳纤维之间，使用性价比高、优质、能批量使用的新材料是叶片复合材料发展的趋势”。

　　

　　“对国内大部分厂家而言，碳纤维是昂贵的材料。在叶片中注入碳纤维成本高，工艺难度较大。同时，就目前而言，生产碳纤维叶片尚存在一定难度。”上海艾郎风电科技发展集团有限公司技术中心技术总监助理刘华伟说。

　　

　　此外，不容忽视的是，目前复合材料商存在对复合材料工艺重视不足和研究不足。与国外先进复合材料商相比，国产复合材料商创新能力不强，对材料的特性、工艺、制作规程等方面缺乏相关研究。

 

　　技术创新突破瓶颈

　　

　　针对国产风电复合材料存在的诸多问题，如何提升其性能、稳定性，降低成本?

　　

　　“应考虑如何扩大国产碳纤维材料在风电叶片上的应用。”中国复合材料学会秘书长张博明说，近年来，碳纤维在业态上应用处于蓬勃发展的爆发式增长趋势，但碳纤维材料应用以国外产品为主，国产碳纤维材料应用亟待扩张和破局。碳纤维制造企业需要尽快发展具有成本竞争力的碳纤维生产技术。同时，叶片厂商、整机厂商要与国产碳纤维制造企业合作，用国产碳纤维复合材料产品替代国外产品，这对行业持续发展非常关键。

　　

　　张博明还认为，复合材料行业在风电上应用的重要趋势是自动化制造技术的应用。复合材料自动化制造技术的推广和应用，可以降低制造成本、缩短生产周期、提高产品质量。此外，应用的工艺还有很多，比如自动铺放、后处理、自动打磨等技术。

　　

　　夏晓林表示，为适应叶片大型化发展趋势和成本逐年下降的行业挑战，需要行业企业从材料迭代、工艺改进的角度探索研究复合材料，提升材料的性能、降低生产成本。比如，进一步提升聚氨酯的力学性能、疲劳性能。

　　

　　褚景春提出，行业要不断推动复合材料技术创新攻关，加大高性能材料在风电领域的创新和应用，推进碳纤维复合材料的广泛应用，确保叶片的稳定性。