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碳纤维乘“风”而起,受益于风机大型化
来源: | 作者:business-101 | 发布时间: 2012-03-11 | 166 次浏览 | 分享到:
从今年1月下旬开始,住建部联合国土部、发改委等九部委地方政府进行督察,从此次中央督察的重点内容来看,2009年房地产市场中的热点敏感问题成为了督察的重点

1.风电叶片是中国碳纤维需求快速增长的主要引擎:

从需求情况来看,2020年,国内风电叶片碳纤维需求约20000吨,约占总需求的40.9%,为第一大需求板块。

从国内外对比来看,国内市场增长明显高于国际增长。2017-2020年中国仅风电叶片碳纤维用量分别为0.3、0.8、1.4、  2.0万吨,四年间的复合增长率为88%。同时,国内风电碳纤维需求占全球需求量比例由15%提升至65%,证明了国内市 场增速显著高于国际市场。

碳纤维主要用在风电叶片的横梁等关键部位:由于碳纤维比玻纤昂贵,百分百采用碳纤维制造叶片并不合算,目前主要是碳纤 维和玻纤混合使用,碳纤维主要用在一些关键部位如横梁(尤其是梁帽)、前后边缘、叶片表面等,其中梁帽为目前碳纤维的最主要应用,作用为减轻重量、提升刚度。

2.风机叶片中必须应用碳纤维吗?

碳纤维的应用在风电叶片中是否为必须?回答这个问题绕不开风电的变化趋势——风机的大型化。

从主机厂金风科技的销售情况可以看出,原本占据绝对比例的3MW机组(图中的2S)的份额正在明显地下降,同时根据近期 陆风项目的招标要求,单机组功率要求4MW以上趋势逐渐明显。

海风方面,根据我们的统计,2022年以来已经陆续启动了约4GW海风项目的招标,机组功率要求基本在8MW以上,10MW 以上的要求也屡见不鲜。

风机功率与叶片长度关系基本固定,大型化趋势下,叶片长度必然增加。

根据推导,风机功率与叶片长度的平方成正比关系,或者说与扫风面积呈正比关系,即P=1/2ρπr2V3Cp(对于这一结论我们 已经根据现有风机数值进行了验证)。反推过来,在假设海风风机额定风速在11m/s的情况下(参考现有风机设计标准),我们计算出当风机功率到达8MW时,叶轮直径在180m左右,功率达到10MW时,叶轮直径在200m左右,所以我们判断,未来海风主流机型叶轮直径在180m甚至200m以上。

叶片长度增加后对于“重量”和“刚度”提出要求,碳纤维的重要性凸显。

刚度方面:对于大型叶片 ,刚度成为主要问题,为了保证在极端风载下叶尖不碰塔架,叶片必须具有足够的刚度。风吹到叶片做 功的时候,叶片旋转时会弯向塔架,碳纤维复合材料的弹性模量是玻纤的2~3倍,更不容易发生形变。

重量方面:叶片重量对运行 、疲劳寿命 、能量输出有重要的影响。全玻璃钢叶片重量比较大,而碳纤维复具有更低的密度,  可以保证风电叶片在增加长度的同时,重量降低。

叶片长度增加后碳纤维的渗透率在明显提升。根据美国桑迪亚国家实验室报告,尽管随着工艺的进步玻纤目前仍适用于任何长 度的风机叶片,但碳纤维的应用随着叶片长度的增加明显地提升,当叶片长度大于70m时,碳纤维的渗透率达到了55%,根据前文表述,未来海风主流机型在8MW以上,叶片长度在90m以上,这为碳纤维提供了广阔的舞台。

10MW以上机型碳纤维渗透率有望达到百分百。桑迪亚实验室预计,碳纤维的主要发力机型在于3-5MW和8-10MW区间,  其中10MW以上机型有望100%使用碳纤维梁帽。同时参考国内海风叶片的发展情况,东方电气、上海电气等公司陆续推出 10MW以上的海风叶片,根据目前的情况,功率10MW且叶片90米以的风机都使用了碳纤维,与SANDIA预计情况基本一致。