风电材料行业专题研究:玻纤碳纤双骄,共享风(2)
2.1.2 各类玻纤因性能差异应用于叶片不同结构
主流风电叶片结构包括主梁系统、上下蒙皮、叶根增强层等:主梁系统包括主梁与腹板, 主梁负责主要承载,提供叶片刚度即抗弯和抗扭能力。腹板负责支撑截面结构,预制后粘接在 主梁上;蒙皮形成叶片气动外形用于捕捉风能,通常在形成主梁结构后,上下蒙皮通过前、后 缘与主梁结构粘接成为叶片;叶根增强层将主梁上载荷传递到主机处。
风电纱以单/多轴向经编织物形式应用于风电叶片中。单/多轴向布因其各自性能差异应用 于叶片不同结构。主玻纤占风电叶片材料成本 28%,其中单轴向布占 14%,双轴向布占 4%, 三轴向布占 4%。
2.2 碳纤维更适用于海上大叶片
2.2.1 碳纤维性能优异,短期大规模应用受制于成本
碳纤维是一种碳主链结构的高性能纤维材料,由有机纤维经高温裂解碳化形成,含碳量超 90%,具有质轻、高强高模、耐腐蚀、低膨胀和抗疲劳等优异性能。目前被广泛应用于航空航 天、基础设施、工业应用等多个领域。 叶片大型化带来轻量化与高强高模需求,碳纤维优异性能较为匹配:
(1)可减轻叶片质量、增强叶片刚度。以高模碳纤维为例,碳纤维密度比玻纤小 30-35%、 拉伸强度略大于高端风电纱、拉伸模量高玻纤 3-8 倍。
(2)碳纤维应用于风电叶片可提高叶片抗疲劳性能。复合材料,包括纯 玻纤复合材料、纯碳纤维复合材料以及其余 4 种碳玻比例不同的碳玻混复合材料,结果表明碳 含量越高的复合材料其抗疲劳表现越好,能更好适应恶劣气候条件。
(3)可应用于低风速区域和海上风电。在低风速区和海上风电场,风机叶轮直径是重要 竞争力指标,而碳纤维能有效增加叶片长度,在富风区域市场逐渐饱和背景下可以有效拓宽风 电应用场景。
(4)具备振动阻尼特性,可避免叶片自然频率与塔暂短频率间发生任何共振的可能性。
但大规模应用仍受成本因素制约: (1)根据《碳纤维/玻璃纤维混杂增强复合材料力学性能研究及风电叶片应用》数据,风 电用大丝束碳纤维成本为 12 万元/吨(约 1.8 万美元/吨,其他可参考数据区间在 1.4-1.8 万美 元/吨),制成织物成本则需 18 万元/吨,是玻纤织物价格的 12 倍。当前碳纤维主要用于叶片 主梁,即替换原先主梁中的单轴向玻纤布(单轴向玻纤布占叶片成本 14%),替换后可有效 减重 20%,但成本上升 82%。 (2)碳纤维增强材料比玻纤更脆,纯碳纤维叶片能否适用于海上风电仍存争议。
2.2.2 风电叶片主要使用高性价比大丝束碳纤维
大丝束碳纤维每束碳纤维根数大于等于 根(即 48 K) ,主要应用于工业领域;而 1K、 3K、6K、12K 等碳纤维统称为小丝束碳纤维,主要应用于国防军工等高科技领域。主流风电 叶片用碳纤维为大丝束碳纤维:
(1)大丝束碳纤维生产原料来源广、价格低。原丝是碳纤维生产核心技术之一,价格占 碳纤维制备成本约 60%。大丝束碳纤维采用成本较低的民用聚丙烯腈(PAN)作为原丝,其价 格仅为制备小丝束碳纤维特种原丝 1/4,因此大丝束碳纤维价格也仅为小丝束碳纤维 50-60%。 另外,掌握小丝束碳纤维生产企业其特种原丝不外售,而民用 PAN 在国外市场可自由买卖;
(2)大丝束碳纤维性价比高。过去大丝束碳纤维拉伸强度在 2000 MPa 左右,比强度较 低,因此未大规模应用;20 世纪 90 年代中后期,大丝束碳纤维技术取得重大突破,拉伸强度 达到 3600 MPa,在工业领域性价比凸显。以美国 ZOLTEK 大丝束碳纤维 PANEX 33-0048 和日 本东丽小丝束碳纤维 T300- 为例,小丝束碳纤维单位美元强度、单位美元模量分别为 107 MPa、7 GPa,分别比大丝束碳纤维低 48%、46%。(报告来源:未来智库)
近年来风电叶片是碳纤维主要增量需求。2020 年全球碳纤维需求 10.7 万吨,近 6 年 CAGR 为 12%;而全球风电碳纤维需求从 2014 年 0.6 万吨快速上升到 2020 年 3.06 万吨,CAGR31%, 增速明显快于整体行业,占比从 2014 年 11%上升到 2020 年 29%。
2.2.3 拉挤法为风电叶片用碳纤维主要生产工艺
风电叶片大梁所用碳纤维存在大克重预浸料、碳纤维织物真空导入、拉挤成型 3 种工艺, 近年来风电叶片碳纤维需求增加,主因纤维体积含量高、高效率低成本的拉挤法开始采用。
文章来源:《材料研究学报》 网址: http://www.clyjxbzz.cn/zonghexinwen/2021/1214/2050.html