碳纤维风机叶片潜力待挖

碳纤维风机叶片潜力待挖

王盛

新疆华电苇湖梁新能源有限公司 新疆乌鲁木齐830017

摘要：碳纤维一直被认为是“下一代”叶片材料，随着碳纤维叶片技术的研发推进，风机叶片即将迎来“新时代”。

关键词：碳纤维；风机叶片；潜力待挖

海上风电机组正朝着大型化、轻量化方向发展，但传统叶片制造材料主要是玻璃纤维复合材料，当叶片长度超过一定值时，玻璃纤维材料的模量增长接近极限，无法满足大型化、轻量化叶片的需求，所以加大碳纤维材料在风机叶片中的应用已成为必然趋势。

一、碳纤维风机叶片的特点

碳纤维是一种轻质、高强度、高刚度材料，由碳纤维和环氧树脂复合而成，具有耐磨、耐腐蚀、耐高温和电绝缘性能。

1、轻质。碳纤维比钢铁、铝等常规材料更轻，碳纤维风机叶片的重量更轻，能降低风机负载，减少能源消耗。

2、高强度。碳纤维的拉伸强度是钢铁的两倍以上，抗弯强度高，碳纤维风机叶片可承受更大力量和压力，提高了风机运行稳定安全性。

3、高耐磨性。碳纤维具有良好耐磨性能，能有效防止叶片磨损、损坏和腐蚀，延长了叶片的使用寿命。

4、良好的空气动力特性。碳纤维风机叶片的形状设计和制造工艺可更好地控制风机气流，提高了风机效率和性能。同时，碳纤维的表面光滑度高，不会影响气流流畅性，减少了风阻，提高了风机风量和风压。

5、良好的抗腐蚀性。碳纤维风机叶片具有良好的抗腐蚀性能，能防止风机在低温、高湿等恶劣环境中叶片生锈、腐蚀、变形等问题。

6、易于制造和维修。碳纤维的资料源广泛，加工工艺简单，生产成本低，同时碳纤维也具有良好的自修复性和多次维修性，维修方便，成本低。

因此，碳纤维风机叶片能广泛用于风电场、矿山、化工厂、冶金厂、电力厂等行业，用于通风换气、泵送压气等各种场合。同时，随着碳纤维技术不断发展，碳纤维风机叶片的应用范围还在不断扩大，未来有望应用于更广泛的工业领域。

二、碳纤维叶片应用已成趋势

近年来，国内风电装机容量快速增长，国家能源局最新数据显示，2023年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。随着平价时代的到来，大型化风机趋势尤为突出，陆上风机最大单机容量超过10兆瓦，海上风机的单机容量超过18兆瓦，叶片长度也不断刷新行业纪录。

快速大型化为风机叶片材料的性能带来了新的考验，在传统玻璃纤维复合材料缺乏足够性能的情况下，碳纤维成为最新的“潜力股”。与玻璃纤维相比，碳纤维的比模量和比强度有明显提高，碳纤维复合材料具有比玻璃纤维复合材料更低的密度及更高的强度，突破了玻璃纤维材料的性能极限，确保风机叶片在增加长度的同时减轻重量。“碳纤维叶片的使用可进一步提高海上风机设计的上限，甚至支持开发20兆瓦、300米叶轮直径的机组。”

除为海上风电机组的大型化提供保障外，业内普遍认为，随着我国海上风电开发范围的不断扩大，深远海等复杂工况对叶片的要求也更高。碳纤维材料的高强度性能将能适应更苛刻的工作环境，并且轻量化叶片还可降低吊装和运输难度，这有助于在海上风电的全生命周期中降低成本。

三、国产碳纤维叶片实现突破

据介绍，2022年，全球风机叶片对碳纤维的需求量占全球碳纤维总需求量的25.7%，我国风机叶片碳纤维需求量也占碳纤维总体需求量的23.5%。与航空航天、军工等领域相比，风机叶片所需的碳纤维产品标准不同，技术成本相对较低，在生产过程中，可根据不同性能、工艺、成本设计不同的应用性能及生产工艺参数，实现相对快速的碳纤维批量生产。在这种情况下，我国碳纤维产业快速增长。有数据显示，2022年国内碳纤维产能达到11.2万吨，供应量首次超过进口量。

近年来，国内碳纤维计划产能大幅增长，碳纤维叶片的研发应用规模也快速增长。早在2017年，国际市场上的整机制造商就已开始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生产了百米级碳纤维叶片。随着国内海上风电市场的蓬勃发展，2022年我国海上大叶片的发展实现了全面赶超。目前，国内市场上大量海上风机叶片采用碳纤维设计，国内主流整机主叶片厂商也已规划下一代海上大兆瓦机组，更大的海上风机碳纤维叶片也在开发中。

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已开始碳纤维叶片的试验和生产应用。有数据显示，2022年以来，我国新开发和新批量生产的海上风电机组中，超过70%使用了碳纤维叶片，即使在陆上风电机组中，一些公司也开始了碳纤维叶片的小批量实测应用。

四、上下游产业链协同必不可少

尽管碳纤维叶片蓝海已显现，但业内普遍认为，未来碳纤维叶片仍需在成本、制造能力、叶片状态检测技术等方面进行提升，以进一步打开市场空间。尽管碳纤维材料是大型海上风机叶片开发的必然选择，但实际成本仍制约着碳纤维材料在风机叶片中的大批量应用。碳纤维的价格虽持续下降，但相应的玻璃纤维价格也在持续下降，从叶片设计来看，碳纤维叶片与传统玻璃纤维叶片相比，竞争力仍有限。此外，业内指出，国产纱线碳板与成熟进口纱线碳板在性能上存在一定差距，存在缺陷漏检风险。

针对行业中存在的诸多问题及挑战，碳纤维作为国家战略性新材料，需产业链协调发展。风电行业要求碳纤维企业继续优化成本，风电企业也需综合考虑成本和可靠性，还应建立风电国产碳纤维产品标准、碳纤维部件测试、设计许用值的行业规范，促进国内碳纤维及风电行业协同健康发展。

随着叶轮直径的进一步增大和风电机组逐渐向深远海迈进，碳纤维材料的稳定性能、构件结构形式的合理性、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。在这种情况下，从原材料开发生产到叶片设计，再到批量生产，需相关从业者共同努力，克服应用短板。

五、碳纤维在风机叶片中的应用

碳纤维被广泛用于制造叶片的主体结构，包括叶片的根部、主梁和外壳等部位。①叶片根部。其是连接叶片和风电主机的重要部位，需承受巨大离心力。为提高叶片的强度和稳定性，碳纤维被引入到叶片根部的制造中。通过使用碳纤维增强树脂基复合材料，可显著提高叶片根部的弯曲刚度，增强其承载能力。②主梁。它是风机叶片的主体结构，需承受整个叶片的重量和风载荷。为减轻叶片的重量和提高其刚度，碳纤维被用于制造主梁。通过使用碳纤维增强树脂基复合材料，可显著降低主梁重量，同时提高其承载能力。③外壳。它是风机叶片的外部结构，需承受自然环境中的腐蚀和磨损。为提高外壳的耐腐蚀性和使用寿命，碳纤维被用于制造外壳。通过使用碳纤维增强树脂基复合材料，可显著提高外壳的耐腐蚀性和使用寿命。

六、碳纤维在风机叶片中的发展前景

1、提高发电效率。由于碳纤维具有轻质、高强的特点，因此可制造出更长、更细风机叶片，从而增加风能的捕获量，提高发电效率。未来，随着碳纤维制造技术的不断进步和成本的降低，风机叶片的长度将会不断增加，从而进一步提高风能的利用率。

2、降低制造成本。目前，碳纤维的价格相对较高，限制了其在风机叶片中的应用。但随着技术的不断进步和规模化生产的实现，碳纤维的价格将会逐渐降低，从而为更广泛的应用提供可能性。同时，通过优化设计和制造工艺，可进一步降低风机叶片的制造成本，提高其市场竞争力。

3、推动绿色能源发展。作为一种清洁可再生能源，风能在未来的能源结构中将会占据越来越重要的地位。而碳纤维作为风机叶片的关键材料之一，其应用和发展也将直接影响到风能的发展前景。未来，随着全球对绿色能源的关注度不断提高，碳纤维在风机叶片中的应用也将迎来更加广阔的发展空间。

参考文献：

[1]李丽旻.碳纤维风机叶片潜力待挖[J].中国能源报,2023(10).