近日，欧洲风机制造商维斯塔斯的风机叶片碳纤维拉挤工艺专利正式到期，国内碳纤维风机叶片设计生产迎来新的“突破口”。一直以来，碳纤维都被视作“下一代”叶片材料，随着碳纤维叶片技术的研发推进，风机叶片即将迎来“新时代”。
应用市场打开
记者了解到，碳纤维拉挤工艺是碳纤维叶片设计生产的核心专利之一，维斯塔斯于2002年7月在多国和地区申请了以碳纤维为主要材料生产风机叶片的相关专利，限制了其他企业使用碳纤维主梁制作叶片，专利保护期为20年。时至今年7月，该项专利到期，其应用市场也已经打开。
“维斯塔斯申请的碳纤维拉挤工艺专利到期意味着国内厂家可以用拉挤板更好地发挥碳纤维的性能。这种技术能够帮助厂家设计出更轻的叶片，对行业发展有所促进。”某风机叶片研发人士告诉记者。
多年来，叶片大型化成为风电行业的共识，同等风速情况下，叶片越长，扫风面积越大，发电量也相应增大。近年来，国内风电装机快速增长，风电场选址已不再局限于“三北”等风资源优厚区域，而是逐渐转向低风速区域，更大的叶片可有效降低对最低风速的要求，提升发电量。
“叶片的大型化势必带来单支叶片重量的不断增加，影响发电效率。另外，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。既要减轻叶片的重量，又要满足强度与刚度要求，因此叶片进入百米级时代后原材料正朝着高性能、轻量化发展，而目前最有效的办法正是采用碳纤维增强。”国内某风电整机制造企业人士告诉记者，“比如，在叶片梁帽部位越来越多地采用碳纤维拉挤板或碳玻混杂拉挤板替代现有的玻纤织物或拉挤板等新材料。”
国内厂商蓄势待发
开源证券数据显示，相较于传统叶片材料玻纤，碳纤维的密度小30%，强度增加40%，模量高出3倍至8倍，同时，高性能碳纤维复合材料受到平面冲击时，内部纵横交错的碳纤维丝能够有效地分散受力，避免破裂。在此情况下，碳纤维材料能够在兼顾强度、刚度的同时，确保叶片进一步轻量化。测算显示，对于一个长度为120米的风机叶片来说，使用碳纤维复合材料的情况下，质量可比完全使用玻纤减轻30%以上。
面对国内高涨的风电装机需求和碳纤维叶片市场空间，国内企业早已摩拳擦掌，蓄势待发。时代新材在其年报中披露，该公司已经在风力发电领域突破了碳纤维拉挤板、玻璃纤维拉挤板、PET夹心材料等关键技术，实现了叶片低成本轻量化设计。中材科技也表示，将加快高性能纤维及复合材料原创技术策源地建设，推进产业基础性技术形成阶段性成果，加快百米级叶片、碳纤维拉挤板、超薄超高强度基膜等新产品开发，形成产业先发优势。
除上游材料供应商外，明阳智能、运达股份等头部整机制造商也正加速布局碳纤维叶片。明阳智能表示，该公司的前沿技术储备中就有碳玻混编技术，叶片主梁采用碳玻混合材料进行了重量优化，在一定幅度增加材料成本的情况下，显著提高了材料性能。明阳智能称，通过改变碳纱和玻纤的比例，解决了目前纯玻纤模量不能满足大叶片设计需求的限制，也绕开了碳纤维成本太高的瓶颈。今年6月，运达股份更是宣布自主研发的10兆瓦级110米海上风机叶片在中复连众试验基地一次性顺利通过全尺寸静力测试，刷新当前国内最长碳纤维海上风机叶片纪录。
降本创新仍必不可少
根据广州赛奥碳纤维技术股份有限公司发布的数据，2021年全球碳纤维应用需求中，风机叶片需求占比高达28%，总量达3.3万吨，是碳纤维下游应用中最大的市场，预计2025年对碳纤维叶片的需求量将达到8.06万吨，年均增长率可达25%。行业普遍认为，高涨的风电应用需求正不断推高碳纤维市场需求，风电板块的繁荣将大幅提振国产碳纤维产业，碳纤维头部企业有望持续受益。
但值得注意的是，尽管市场潜力巨大，多位业内人士也提醒称，碳纤维叶片的发展也不能一蹴而就，叶片技术的创新不仅需要克服成本等现实问题，更需要经过长时间的验证。
广州赛奥碳纤维技术股份有限公司总经理林刚曾公开表示，目前国内碳纤维价格存在虚高的现象，但对于风电行业来说，度电成本却是重中之重。为此，碳纤维企业应该通过技术进步去降低成本，同时风电和碳纤维行业应紧密合作，实现整个产业链的技术创新，尤其与成本降低有关的创新。
上述叶片研发人士则表示：“维斯塔斯的碳纤维叶片工艺专利有一个完整的专利布局，碳纤维叶片领域仍有很多专利限制国内厂商使用，另外，叶片技术的创新不仅需要工艺设计，更需要不断试验认证，尽可能避免可能出现的风险。”(记者 李丽旻)
转自：中国能源报
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