碳纤维复合材料成风机叶片发展趋势

我国风机叶片行业经过近三十年的发展，已经逐步形成完整的产业链。目前我国已经突破了风机叶片的核心技术垄断，实现了关键原材料本地化，但与国外相比仍有差距。我国要大力发展风电产业，就必须大力开发自主技术，形成自己的设计制造体系。记者近日从国家能源局官网获悉，国家能源局印发的《能源技术创新“十三五规划”》指出，“十三五”期间，我国将开发碳纤维复合材料风机叶片新产品，将建立百套量级的碳纤维复合材料风机叶片。

风机叶片材料中碳纤维优势凸显

风机叶片是将风能转化为机械能的重要部件之一。业内专家认为，风机叶片材料的强度和刚度是决定风力发电机组性能优劣的关键。风机叶片材料在经历了木材、布蒙皮、金属蒙皮以及铝合金后，玻璃钢复合材料被普遍使用。各国研制大功率风电机组最需要解决的问题是增大风轮直径捕获能量，因而，对风机叶片材料的要求也越来越高。

彭博新能源财经（BNEF）去年发布的报告 《陆上风电叶片制造与供应链分析》指出，全球风机叶片长度未来将有进一步增加的趋势。由于风机大型化趋势愈发明显，大型风机叶片被认为是衡量企业技术实力的主要标志。随着叶片长度的增加，对叶片材料的性能提出了新的要求，玻璃钢复合材料逐渐显现出强度和刚度等方面的不足。风力发电叶片被普遍认为是碳纤维的主要增长市场，使用轻而强、刚而硬的高性能碳纤维复合材料，可以避免叶片在风载作用下发生大变形甚至撞击风车支柱。

国外专家认为，玻璃纤维复合材料性能已经趋于极限，在发展更大功率风电机组和更长转子叶片时，为了既进一步减少叶片质量，又同时满足强度与刚度要求，采用性能更好的碳纤维复合材料势在必行。

各国逐渐重视碳纤维材料的应用

风机叶片是风能供应链中最具价值的一个环节，国外许多厂家都将碳纤维复合材料用于叶片制造中。

以丹麦和德国为例，这两个国家早在上世纪70年代开始用现代技术研发风电机组，已经积累了丰富经验，形成了非常成熟的技术。丹麦LMGlassfiber“未来”叶片家族中61.5米、5兆瓦风机的叶片在梁和端部都选用了碳纤维。德国叶片制造商NordexRotor制造的56米，5兆瓦风机叶片的整个梁结构都采用了碳纤维，他们认为叶片跨越一定尺寸后，碳纤维叶片的制造成本并不比玻璃纤维的成本高。

目前，全球各大叶片制造商正在进行多方面深入研究，降低叶片制造成本，使碳纤维在风力发电上得到广泛应用。去年，总部位于荷兰的风机叶片制造商———艾尔姆风电集团公司制造了世界上最大的风机叶片———LM88.4P。它将用于世界上最大的风力涡轮机，其高度达到180米，当风力涡轮机建造完成，可制造8兆瓦能量，足以对10000个家庭提供电能。据悉，传统叶片的铝制设计易受雨水侵蚀，艾尔姆公司的工程团队选用了一种新研制的材料，研发出了一种拥有五倍耐久力的涂层。艾尔姆公司的工程副总裁RoelSchuring认为，因为使用最为优良的组合材料，凭借目前的叶片，公司拥有着离岸产业中最具竞争力的产品。  欧美等发达国家对风机叶片表现出了极大的兴趣并进行了一系列相关技术研发和探索。根据清洁能源技术研究机构NavigantResearch对22家风机制造商和18家独立风机叶片制造商的调研分析发现，企业对风机叶片的关注在不断提升。

NavigantResearch日前发布的报告称，去年，全球风机叶片市场收益预计将达到66亿美元。未来十年，全球风机叶片累计市场收益有望超过724亿美元，其中，亚太地区将是最大的区域市场，累计收益将达到308亿美元。

“十三五”期间我国将重点开展应用研究

风机重量的减少和硬度的增加，有助于叶片产生更多的发电驱动力。随着我国风电装机容量的增长速度不断加快，碳纤维复合材料风机叶片制成的容量风机也将成为发展趋势。有报告预计，未来碳纤维市场将增长更快，亚太地区占市场的最大份额。特别是发展中国家，例如印度和中国，风机装机容量最大，并且在一定时期内将以最高的年复合增长率持续增长。

有观点认为，中国国内碳纤维复合材料在风机叶片上的应用还远落后于世界进程，主要原因是缺乏自主设计的知识产权。

国家能源局印发的《能源技术创新“十三五规划”》指出，我国将开展大尺寸、大厚度碳纤维复合材料主承力件成型技术工程应用研究、碳纤维复合材料风机叶片热载荷与力学载荷综合作用研究、碳纤维复合材料风机叶片结构优化设计。此前，国家发展改  革委和国家能源局下发的 《能源技术革命创新行动计划（2016~2030年）》也明确指出，未来将重点研究叶片碳-玻材料混杂及铺层优化设计技术。

去年11月，国家能源局发布的《风电发展“十三五”规划》提出，到2020年底，我国风电累计并网装机容量确保达到2.1亿千瓦以上。未来我国将全面开展中东部，南方地区分散风能资源的开发，推进风电产业持续健康发展。目前，我国在沿海及内陆地区陆续开始装备大量风机，现有风机塔筒也高度不断提升，低温环境下的风机叶片结冰成为必须考虑的问题。由于风机叶片在冬季极易结冰，影响动力平衡，而风机叶片转速较高，离心力较大，在严重失衡情况下，叶片容易发生断裂。“十三五”期间，我国还将着重研究碳纤维复合材料抗冰风机叶片系统优化设计，建立碳纤维复合材料风机叶片制造标准化平台。