碳纤维在风电领域的应用现状及发展趋势

摘要近年来全球风电产业迅猛发展，中国风电更是“一枝独秀”，保持全球领先地位，为中国乃至全球的新能源应用做出了巨大贡献。风机大型化是未来发展趋势，越来越大的风电叶片，让碳纤维有了用武之地。在满足同等刚度和强度的前提下，与玻璃纤维材质的叶片相比，碳纤维材质要轻30%以上，而且还能提高风电叶片的耐候性。预计未来5～10年，中国风电将继续引领全球风电的增长，这将是拉动碳纤维需求增长的主要引擎。随着社会对可持续性发展的重视，光伏、风力等可再生能源发电占比逐年提高，风能作为潜力巨大的可再生能源之一备受关注，2021年中国风力发电总量达到6.556×1011

kWh，占总发电量的7.83%

。风电的工作原理是将风能转变为机械能，再通过发电机组转换成电能。风电叶片是捕获风能最重要的部件，是风力发电机的关键部件之一，约占机组总成本的

20%

。叶片常年在高空条件下工作，其承受载荷大，运行环境恶劣，故其质量可靠性是保证机组安全高效运行的决定因素。碳纤维是一种碳质量分数在

90%

以上，具有轻质、高强、耐腐蚀等特点的高性能纤维材料，它的密度不到钢的

1/4，强度却是钢的

7～9

倍，被称为“新材料之王”。碳纤维最早应用于航天及国防领域，如导弹、火箭、人造卫星、大型飞机等。随着技术进步，碳纤维及其复合材料的应用范围不断拓展，逐步扩大到汽车、风能发电、压力容器、工业器材和土木建筑等诸多领域。

1

风电产业发展趋势1.1

国家政策对中国风电产业的影响中国新能源发电的快速发展是实现

2030

年碳达峰、2060

年碳中和的必要条件。根据《国务院关于印发

2030

年前碳达峰行动方案的通知》，2030

年前碳达峰行动方案中的“重点任务”为:

大力发展新能源;

全面推进风电、太阳能发电大规模开发和高质量发展;

坚持陆海并重，推动风电协调快速发展，完善海上风电产业链，鼓励建设海上风电基地。2022

年

6

月发布的《“十四五”可再生能源发展规划》要求:

大规模开发风电等可再生能源，到2025

年，可再生能源年发电量达到

3.3×1012

kWh左右，“十四五”期间，可再生能源发电增量在全社会用电量增量中的占比超过

50%

，风电和太阳能实现翻倍。1.2

风电产业的发展情况近年来全球风电产业迅猛发展，根据全球风能理事会(

GWEC)

统计，2020

年受中国风电抢装潮的影响，全球新增装机取得历史性突破，新增装机量高达

95.3GW;

2021

年虽然受到全球疫情影响，但新增装机量仍达到

93.6GW，为历史第二高。GWEC

预测未来

5

年全球风电装机容量将达到

557.0GW，年均复合增长率为

6.6%

。GWEC

的数据显示，2021

年，中国陆上风电新增装机量约为

30GW，是全球陆上风电新增装机量最高的国家;

美国位居第二，新增陆上风电并网装机容量

12.7GW。2021

年全球海上风电新增并网量达到

21.1GW，创下历史新高。中国可谓“一枝独秀”，占全球新增总量的

80%

，以17.0GW

的海上新增装机容量成为新的领导者，这也让中国首次成为全球海上风电累计装机最多的国家。与陆上风电相比，海上风电具有风速大、资源丰富、不占耕地等显著优势，将成为全球风电产业的发展方向，海上风电叶片将成为市场需求新增量。1.3

叶片的大型化趋势风电叶片是捕获风能最重要的部件，叶片大型化已成为风电行业的共识，是降低风电成本的重要手段。在同等风速情况下，叶片越长，扫风面积越大，能捕获更多的风能，发电量也相应增大。单个陆上风电机组发电功率由原来的2～3MW提高到4～7MW，单个海上风电机组的发电功率更是提升到9～10MW，甚至更大。随着风电机组功率的提升，叶片长度随之快速增长，进入“百米级时代”。2021

年

2

月，中国船舶集团有限公司

10MW

海上风机正式下线，叶片长度达

102m，这是我国首个长度超过百米的风机叶片;

同年

9

月，上海电气风电集团股份有限公司长达

102m

的海上风电叶片问市。2022

年，我国连续下线大容量风电机组，不断刷新记录，5

月，浙江运达风电股份有限公司8～10MW海上风机叶片长度达

110m;

7

月，大兆瓦抗台风型海上风机叶片长达

115.5m;

9

月，风电机组再度突破，海神平台

EW8.X－230

机组在山东渤中海上风电项目中完成首台安装，叶片长

112m，风轮直径达

230m，是全球已吊装的最大风轮直径风机;

12月，全球最长风电叶片双瑞

SＲ260

成功下线，叶轮直径达

260m，叶片扫风面积达

5.3×104

m2，相当于

7.4

个足球场的面积，该叶片将安装在中国船舶集团海装股份有限公司即将下线的全球最大单机功率

18MW

海上风机机组中。

2

风电领域对碳纤维的需求情况叶片的不断大型化使得单支叶片的自重呈几何级数增长，带来了风机载荷的增大，影响了发电效率，同时也对风电叶片提出了轻量化的要求。针对叶片大型化、轻量化的要求，轻质高强的碳纤维成为超大型叶片的首选材料。在满足刚度和强度的前提下，碳纤维质量比玻璃纤维材质的叶片少

30%

以上，所以采用碳纤维材料制备的风电叶片在保证叶片在长度增加的同时，可以明显减重，还能提高风电叶片的耐候性。因此在超大型风电机组叶片制造中，建议使用高性能碳纤维，在确保结构强度的同时避免叶片在风载作用下发生变形。据赛奥《2021

全球碳纤维复合材料市场报告》，2021

年全球碳纤维需求达到

118kt，其中风电领域达

33kt，占全球碳纤维需求量的

28%

;我国碳纤维需求达

62kt，其中风电领域为22.5kt，已经成长为碳纤维最大的应用领域，占36%

。

3

碳纤维在风电叶片中的应用现状轻型和大型风机叶片的发展给碳纤维复合材料在风机叶片中的应用带来了机会。与玻璃纤维复合材料叶片相比，碳纤维复合材料制成的风机叶片具有优异的综合力学性能，但也存在一定的缺点:

如价格昂贵、制造工艺要求高、透明度差、不易制作复杂表面、纤维变形后性能下降、储存条件要求高、树脂渗透性差等。目前，碳纤维复合材料在风机叶片中的应用最关键的部分是主梁区域，与玻璃纤维复合材料制成的主梁相比，碳纤维复合材料制造的主梁可以提高叶片刚度，同时显著降低叶片质量。国外在碳纤维复合材料风电叶片开发方面的起步较早，许多大的主机厂或叶片厂都已经在风电叶片中使用碳纤维复合材料，如GE、WESTAS、GAMESA

和

SIMENS等。2020年11月，LMWindPower为GEHaliade－X12/13MW

海上风电机组设计的107m叶片，获得

TUVNord

颁发的部件认证证书，该款叶片为全球第一款长度超过100m的风电叶片。2021年2月，Siemens－Gemesa

匹配其

SG14.0－222DD

海上风电机组的

B108叶片下线，长度108m;

Vestas

宣告推出

V236－15.0MW海上风电机组，叶片长度为115.5m。此外，风电叶片通常需要在冷、热、沙和海水侵蚀的恶劣环境中工作。除了主承重结构的主梁区域外，在非承重或次承重结构中使用碳纤维复合材料的需求尤为迫切。例如，为了提高叶片根部材料的断裂和承载强度，降低施加在螺栓上的动载荷，德国公司在叶片根部使用了碳纤维复合材料。丹麦

公司在叶尖中使用碳纤维复合材料，以降低叶片过度极化而导致的叶尖撞击塔架的风险。公司在叶片的前缘和后缘部分使用碳纤维复合材料来调节叶片的固有频率，从而有效防止雷击造成的损坏。美国能源部开发了使用碳纤维复合材料作为蒙皮的风力涡轮机叶片，实践结果表明，它们可以减少作用在内部支撑翼梁上的力和扭矩，并提高叶片表面强度和耐腐蚀性。我国碳纤维叶片的研发也进行得如火如荼，近两年已有多款碳纤维叶片实现挂机试运行。然而，考虑到碳纤维复合材料的经济成本较高，大多数风电企业仍然使用传统的玻璃纤维复合材料来制造风机叶片，只有少数风电企业在主梁区域使用碳纤维复合材料，如众泰、中复连众复合材料集团有限公司、中材科技风电叶片股份有限公司等。目前碳纤维复合材料在风力发电机叶片非轴承或副轴承结构中的应用还比较少见，其原因主要有两点:

一方面，国内尚未系统掌握核心设计技术，缺乏碳纤维复合材料的应用基础，碳纤维复合材料制造超大型叶片的技术还不够成熟，制造和安装后维护比较困难;

另一方面，与玻璃纤维复合材料相比，碳纤维复合材料的成本更高，缺乏低成本的原材料和制造技术。因此，就碳纤维复合材料在风电叶片上的应用而言，还需要进行系统的研发、应用和验证。

4

风电叶片碳纤维应用技术发展趋势风电叶片为混合结构，主要包括蒙皮、翼梁帽、腹板和其他结构单元。其中，由主翼梁区组成的翼梁帽和腹板是整个叶片的主要承载结构，负责控制叶片的整体刚度(

变形性能)

、极限强度(

承载性能)

和抗剪性能。此外，蒙皮壳体的非承载或次承载结构主要用于形成叶片的气动形状。增加叶片长度是提高风机运行效率的一个重要方法。由于海上风机往往比陆上风机更大，因此对于海上风机如何降低风机自重尤其重要。大多数风电叶片的翼梁帽和腹板通常由玻璃纤维复合材料制成，早在

2000

年，就有专家建议风能行业应改用全碳纤维复合材料，这样做将大大降低叶片自重和叶尖偏转，同时提高抗疲劳性;

在降低叶片自重的同时，降低风机其余部件自重和成本;

与玻璃纤维复合材料相比，其更高的各向异性使其能够通过弯曲

－

扭转耦合进一步优化空气动力学性能。然而，采用碳纤维复合材料制得的叶片成本较高，使得碳纤维复合材料的使用受到很大限制。中国风力发电机叶片制造技术的发展可以简单地概括为以下几个阶段:

第一阶段，风力发电机叶片采用传统的玻璃纤维复合材料叶片，使用手铺层成型工艺制成，此工艺生产效率低，产品质量和性能稳定性难以控制。由于玻璃纤维与碳纤维相比性能较差，产品的机械性能较低，不适合制造大型叶片。第二阶段，预浸料真空袋压成型和织物真空辅助树脂灌注成型，该工艺逐渐被大部分企业用于制造传统的玻璃纤维复合材料风机叶片，但这两种工艺效率低、成本高。如果使用这样的材料和方法，即使采用碳纤维制造风电叶片，其长度最长只有

40m。随着叶片尺寸向大型化发展，一些企业开始尝试使用小丝束碳纤维制造叶片的主梁，虽然性能好了很多，但成本仍然很高。此外，主翼梁中通常存在孔隙率高和碳纤维含量低的问题，严重限制了碳纤维在风机叶片中的应用。第三阶段，2015

年，丹麦公司成功将拉挤工艺应用于碳纤维复合材料风机叶片的主梁，使碳纤维复合材料风力发电机叶片的使用成为可能。VESTAS

公司把高效、低成本、高质量的拉挤工艺应用到叶片碳纤维主梁的生产中，通过采用拉挤主梁标准件的方法，实现了碳纤维在风电叶片的大量应用。拉挤主梁标准件的方法具有较多优点，主要表现为:(1)

拉挤工艺能较好地发挥纤维强度，并且纤维体积含量较高，提高了材料性能;

(2)

拉挤成型效率高、产品性能稳定，可以采用标准件的生产方式，大大提高生产效率和降低生产成本。按这种设计和工艺制造的碳纤维主梁，兆瓦级的叶片均可使用，大大扩展了碳纤维的使用范围。拉挤工艺是一种连续生产复合材料型材的方法，通用拉挤成型使纱架上的纤维在牵引装置的拉引下，依次经过树脂浸胶、模具成型、后固化、牵引等工序，材料在模具内加热固化后成型。拉挤工艺之所以能够迅速发展，是因为它具有许多突出的优点:(1)

连续成型，制品长度不受设备和工艺因素的限制;(2)

自动化程度高、生产速度快、生产成本低、产品质量稳定、外观平滑;(3)

制品的力学性能优异，特别是纵向比强度和比刚度尤为突出;(4)

工艺过程基本上不产生边角废料，原材料利用率高。

5

结语根据全球风能理事会发布的《2022年全球风电报告》，预计未来

5

年全球风电市场将保持年均

6.6%

的增速。中国能源局基于“双碳”战略制定的“十四五”规划指出:

风能将成为未来能源的主要形式，并将是中国能源结构转型的主力军。据预测，未来

10

年全球风电复合增长率为4.3%

，中国风电新增装机量将占全球

45%

，中国风电将继续引领