从0到数万吨,碳纤维是如何搭上风电快车的?

2020-04-16 15:19:00 7

核心提示:一、VESTAS 的创新设计打开碳纤维应用大门  

目前,风电叶片大梁主要采用的三种制造工艺生产:资料来源:《国产碳纤维在风电叶片产业中的机会》沈真 过去主要是工艺1、2,效率低、成本高。按这样的材料与工艺,只有 40 米以上的风电叶片。

一、VESTAS 的创新设计打开碳纤维应用大门
目前,风电叶片大梁主要采用的三种制造工艺生产:


 单向透气膜,一体导流网,专用脱模布
资料来源:《国产碳纤维在风电叶片产业中的机会》沈真


过去主要是工艺1、2,效率低、成本高。按这样的材料与工艺,只有 40 米以上的风电叶片(即风轮直径 80 米,功率 1.8 兆瓦以上)使用碳纤维替代玻璃纤维才可能被用户接受。而在VESTAS 新的结构工艺下,工艺3拉挤成型碳梁应用前景广阔。VESTAS 通过创新设计将主梁承力结构分拆为可装配的拉挤梁片标准件。VESTAS 是全球领先的风电设备制造巨头。该公司在大梁结构上采用了革命性的创新设计:把整体化成型的主梁主体受力部分拆分为高效低成本高质量的拉挤梁片标准件。然后把这些标准件一次组装整体成型。


 单向透气膜,一体导流网,专用脱模布
资料来源:《国产碳纤维在风电叶片产业中的机会》沈真


高效、低成本、高质量的碳纤维拉挤梁片工艺,使得碳纤维使用成本大幅降低。VESTAS 这种用新设计和新工艺制造的碳纤维主梁,完成技术攻关后,碳纤维在风电领域的使用量进入快速增长。以中国为例:2014 年风电领域的碳纤维用量还是 0,到2018 年就激增到8000 吨。


 
单向透气膜,一体导流网,专用脱模布

资料来源:《国产碳纤维在风电叶片产业中的机会》沈真


二、风轮直径扩大增加碳纤维在风电领域应用
根据 GE 的分析结果,到 2025 年风轮直径将从现在的 100m 扩大到 160m,IEA 的分析也可以得出类似的结论。由此可见,为了提高风机效率,满足更广泛的风场条件,现在业界已经形成共识:风轮直径扩大是风电未来的发展趋势。
风轮直径扩大,必然导致叶片刚度下降,更加容易变形。如何在一定控制质量的前提下,提高叶片刚度,是风电叶片设计必须要考虑的问题。碳纤维(主要是大丝束碳纤维)作为质量轻、强度高、模量高的新型材料在风电叶片领域的应用必将进一步提升。
风轮直径扩大是风电未来趋势 :


 单向透气膜,一体导流网,专用脱模布

图1  资料来自 GE
风塔增高是风轮直径扩大的必然结果:
 单向透气膜,一体导流网,专用脱模布

图2  资料来自 IEA


三、中国需求日益重要,进口替代正在进行
中国碳纤维需求增加是全球碳纤维需求持续增长的重要因素。2018 年,中国碳纤维需求量为 3.1 万吨(不同机构预测略有不同,但都保持了高增速)。在过去十年间,保持了 14%左右的复合增长率,并在最近 3 年呈现加速增长的态势。


 单向透气膜,一体导流网,专用脱模布

资料来源:《2018 全球碳纤维复合材料市场报告》
    

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