風(fēng)能在可再生能源領(lǐng)域繼續(xù)占據(jù)主導(dǎo)地位，并且一直是世界上最大的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料市場。隨著葉片越來越長，葉片制造商正在尋找在不犧牲性能的情況下減輕大型結(jié)構(gòu)重量的方法，也在使用碳纖維。風(fēng)電葉片仍然是復(fù)合材料的關(guān)鍵市場領(lǐng)域。 根據(jù)Acumen Research and Consulting 《全球行業(yè)分析，市場規(guī)模，機(jī)遇與預(yù)測，2017–2023年》的預(yù)測，全球風(fēng)力渦輪機(jī)復(fù)合材料市場的價(jià)值到2023年可能超過120億美元，并且預(yù)計(jì)到2023年將以9.6%的復(fù)合年增長率增長。
近年來，隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率的快速提升，風(fēng)電葉片正朝著大型化、輕量化、智能化方面發(fā)展，這對葉片材料的強(qiáng)度和剛度等性能提出新的要求。那么，如何優(yōu)化復(fù)合材料生產(chǎn)工藝，提升材料性能，確保風(fēng)電葉片穩(wěn)定可靠?
國電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)有限公司董事長褚景春說：“復(fù)合材料創(chuàng)新應(yīng)用是推動(dòng)風(fēng)電行業(yè)發(fā)展的一支重要力量，也是實(shí)現(xiàn)風(fēng)電技術(shù)創(chuàng)新的一個(gè)重要引擎。我們要?jiǎng)?chuàng)新前沿技術(shù)，研制全新的高強(qiáng)度、輕量化碳纖維復(fù)合材料，保障風(fēng)電行業(yè)低成本高質(zhì)量發(fā)展。”
復(fù)合材料作用重要
近年來，風(fēng)電葉片實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展，葉片長度從2015年的40-50米增長至如今的80-90米甚至100米以上。在葉片制造技術(shù)不斷地升級過程中，復(fù)合材料是風(fēng)電葉片的核心材料，起到至關(guān)重要的作用，決定著葉片的成本、性能、價(jià)格。
“風(fēng)電復(fù)合材料是風(fēng)電葉片所必需的材料，特別是對葉片的性能、強(qiáng)度有著重大影響。”中國可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專業(yè)委員會(huì)高級顧問杜廣平說，當(dāng)前，風(fēng)電行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入到平價(jià)上網(wǎng)時(shí)代，大容量風(fēng)電機(jī)組將成為主導(dǎo)產(chǎn)品，而復(fù)合材料質(zhì)量和性能直接關(guān)系到風(fēng)電機(jī)組的質(zhì)量和成本。
褚景春說：“無論是陸上風(fēng)電還是海上風(fēng)電，風(fēng)電機(jī)組逐漸走向大型化，這就需要大葉片支撐。當(dāng)葉片達(dá)到一定長度后，復(fù)合材料創(chuàng)新應(yīng)用起到很重要的作用。一方面，可以使得葉片更長、更輕、性能更優(yōu);另一方面，也能改善風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)荷載，提高發(fā)電量，降低度電成本。”
2018年9月，三菱重工維斯塔斯（MHI Vestas）宣布其V164渦輪機(jī)平臺(tái)已達(dá)到10兆瓦的額定功率，成為第一臺(tái)商用雙位數(shù)風(fēng)力渦輪機(jī)。盡管10兆瓦的渦輪機(jī)要到2021年才能安裝，但2018年4月在蘇格蘭阿伯丁灣的Vattenfall的歐洲海上風(fēng)電部署中心（EOWDC）部署了8.8兆瓦的V164。高度為191米，每個(gè)葉片長80米。 2019年初，西門子Gamesa可再生能源公司（SGRE，西班牙Zamudio）推出了SG 10.0-193 DD，這是該公司的首臺(tái)10兆瓦以上海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)。它具有94米長的葉片（每個(gè)葉片的長度與一個(gè)足球場相同），提供29,300平方米的掃掠面積。據(jù)說一個(gè)SG 10.0-193 DD的年發(fā)電量足以為大約10,000個(gè)歐洲家庭供電。此外，西門子歌美颯正在丹麥的奧爾堡建造世界上最大的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片試驗(yàn)臺(tái)。該站點(diǎn)將能夠?qū)ο乱淮鶶GRE轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行全面測試，并有望在2019年底之前全面投入運(yùn)營。據(jù)報(bào)道，首批測試將在SG 10.0-193 DD的94米長葉片上進(jìn)行。
“葉片設(shè)計(jì)、制造及運(yùn)行狀態(tài)的好壞直接影響到風(fēng)電整機(jī)的性能和發(fā)電效率。”浙江恒石纖維基業(yè)有限公司產(chǎn)品研發(fā)部經(jīng)理夏曉林表示，使用新型復(fù)合材料，可以提升風(fēng)電葉片力學(xué)性能、疲勞性能，縮短葉片生產(chǎn)周期，降低葉片生產(chǎn)成本。“比如，葉片使用聚氨酯材料，其力學(xué)性能提升幅度在15%-20%。同時(shí)，葉片主梁成本可以降低5%-10%”。
亟待降本增效
隨著葉片行業(yè)的快速發(fā)展,葉片材料相關(guān)領(lǐng)域取得較大突破,但仍存在性能、成本等方面的瓶頸。
杜廣平認(rèn)為，葉片長度、重量、載荷、發(fā)電量、成本等多個(gè)條件制約了高性能、大容量、超長、輕量化風(fēng)機(jī)葉片的發(fā)展，而這些制約因素說到底是風(fēng)電葉片復(fù)合材料創(chuàng)新應(yīng)用。一方面國產(chǎn)風(fēng)電葉片復(fù)合材料相關(guān)性能有待提高，另一方面復(fù)合材料的成本有待降低。
目前，葉片成本約占風(fēng)機(jī)價(jià)格總成本的20%左右，葉片材料占葉片成本80%，甚至85%以上。
夏曉林說，當(dāng)前，市場主流高性能材料主要有兩大類：一類是玻璃纖維的材料，一類是碳纖維材料。而這兩種高性能復(fù)合材料的價(jià)格相對較高。“因此，開發(fā)一種性能介于玻璃纖維和碳纖維之間，使用性價(jià)比高、優(yōu)質(zhì)、能批量使用的新材料是葉片復(fù)合材料發(fā)展的趨勢”。
“對國內(nèi)大部分廠家而言，碳纖維是昂貴的材料。在葉片中注入碳纖維成本高，工藝難度較大。同時(shí)，就目前而言，生產(chǎn)碳纖維葉片尚存在一定難度。”上海艾郎風(fēng)電科技發(fā)展集團(tuán)有限公司技術(shù)中心技術(shù)總監(jiān)助理劉華偉說。
此外，不容忽視的是，目前復(fù)合材料商存在對復(fù)合材料工藝重視不足和研究不足。與國外先進(jìn)復(fù)合材料商相比，國產(chǎn)復(fù)合材料商創(chuàng)新能力不強(qiáng)，對材料的特性、工藝、制作規(guī)程等方面缺乏相關(guān)研究。
技術(shù)創(chuàng)新突破瓶頸
針對國產(chǎn)風(fēng)電復(fù)合材料存在的諸多問題，如何提升其性能、穩(wěn)定性，降低成本?
“應(yīng)考慮如何擴(kuò)大國產(chǎn)碳纖維材料在風(fēng)電葉片上的應(yīng)用。”中國復(fù)合材料學(xué)會(huì)秘書長張博明說，近年來，碳纖維在業(yè)態(tài)上應(yīng)用處于蓬勃發(fā)展的爆發(fā)式增長趨勢，但碳纖維材料應(yīng)用以國外產(chǎn)品為主，國產(chǎn)碳纖維材料應(yīng)用亟待擴(kuò)張和破局。碳纖維制造企業(yè)需要盡快發(fā)展具有成本競爭力的碳纖維生產(chǎn)技術(shù)。同時(shí)，葉片廠商、整機(jī)廠商要與國產(chǎn)碳纖維制造企業(yè)合作，用國產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品替代國外產(chǎn)品，這對行業(yè)持續(xù)發(fā)展非常關(guān)鍵。
張博明還認(rèn)為，復(fù)合材料行業(yè)在風(fēng)電上應(yīng)用的重要趨勢是自動(dòng)化制造技術(shù)的應(yīng)用。復(fù)合材料自動(dòng)化制造技術(shù)的推廣和應(yīng)用，可以降低制造成本、縮短生產(chǎn)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量。此外，應(yīng)用的工藝還有很多，比如自動(dòng)鋪放、后處理、自動(dòng)打磨等技術(shù)。
夏曉林表示，為適應(yīng)葉片大型化發(fā)展趨勢和成本逐年下降的行業(yè)挑戰(zhàn)，需要行業(yè)企業(yè)從材料迭代、工藝改進(jìn)的角度探索研究復(fù)合材料，提升材料的性能、降低生產(chǎn)成本。比如，進(jìn)一步提升聚氨酯的力學(xué)性能、疲勞性能。
褚景春提出，行業(yè)要不斷推動(dòng)復(fù)合材料技術(shù)創(chuàng)新攻關(guān)，加大高性能材料在風(fēng)電領(lǐng)域的創(chuàng)新和應(yīng)用，推進(jìn)碳纖維復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，確保葉片的穩(wěn)定性。
