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      碳纖維乘“風”而起,受益于風機大型化
      來源: | 作者:business-101 | 發布時間: 2012-03-11 | 156 次瀏覽 | 分享到:
      從今年1月下旬開始,住建部聯合國土部、發改委等九部委地方政府進行督察,從此次中央督察的重點內容來看,2009年房地產市場中的熱點敏感問題成為了督察的重點

      1.風電葉片是中國碳纖維需求快速增長的主要引擎:

      從需求情況來看,2020年,國內風電葉片碳纖維需求約20000噸,約占總需求的40.9%,為第一大需求板塊。

      從國內外對比來看,國內市場增長明顯高于國際增長。2017-2020年中國僅風電葉片碳纖維用量分別為0.3、0.8、1.4、  2.0萬噸,四年間的復合增長率為88%。同時,國內風電碳纖維需求占全球需求量比例由15%提升至65%,證明了國內市 場增速顯著高于國際市場。

      碳纖維主要用在風電葉片的橫梁等關鍵部位:由于碳纖維比玻纖昂貴,百分百采用碳纖維制造葉片并不合算,目前主要是碳纖 維和玻纖混合使用,碳纖維主要用在一些關鍵部位如橫梁(尤其是梁帽)、前后邊緣、葉片表面等,其中梁帽為目前碳纖維的最主要應用,作用為減輕重量、提升剛度。

      2.風機葉片中必須應用碳纖維嗎?

      碳纖維的應用在風電葉片中是否為必須?回答這個問題繞不開風電的變化趨勢——風機的大型化。

      從主機廠金風科技的銷售情況可以看出,原本占據絕對比例的3MW機組(圖中的2S)的份額正在明顯地下降,同時根據近期 陸風項目的招標要求,單機組功率要求4MW以上趨勢逐漸明顯。

      海風方面,根據我們的統計,2022年以來已經陸續啟動了約4GW海風項目的招標,機組功率要求基本在8MW以上,10MW 以上的要求也屢見不鮮。

      風機功率與葉片長度關系基本固定,大型化趨勢下,葉片長度必然增加。

      根據推導,風機功率與葉片長度的平方成正比關系,或者說與掃風面積呈正比關系,即P=1/2ρπr2V3Cp(對于這一結論我們 已經根據現有風機數值進行了驗證)。反推過來,在假設海風風機額定風速在11m/s的情況下(參考現有風機設計標準),我們計算出當風機功率到達8MW時,葉輪直徑在180m左右,功率達到10MW時,葉輪直徑在200m左右,所以我們判斷,未來海風主流機型葉輪直徑在180m甚至200m以上。

      葉片長度增加后對于“重量”和“剛度”提出要求,碳纖維的重要性凸顯。

      剛度方面:對于大型葉片 ,剛度成為主要問題,為了保證在極端風載下葉尖不碰塔架,葉片必須具有足夠的剛度。風吹到葉片做 功的時候,葉片旋轉時會彎向塔架,碳纖維復合材料的彈性模量是玻纖的2~3倍,更不容易發生形變。

      重量方面:葉片重量對運行 、疲勞壽命 、能量輸出有重要的影響。全玻璃鋼葉片重量比較大,而碳纖維復具有更低的密度,  可以保證風電葉片在增加長度的同時,重量降低。

      葉片長度增加后碳纖維的滲透率在明顯提升。根據美國桑迪亞國家實驗室報告,盡管隨著工藝的進步玻纖目前仍適用于任何長 度的風機葉片,但碳纖維的應用隨著葉片長度的增加明顯地提升,當葉片長度大于70m時,碳纖維的滲透率達到了55%,根據前文表述,未來海風主流機型在8MW以上,葉片長度在90m以上,這為碳纖維提供了廣闊的舞臺。

      10MW以上機型碳纖維滲透率有望達到百分百。桑迪亞實驗室預計,碳纖維的主要發力機型在于3-5MW和8-10MW區間,  其中10MW以上機型有望100%使用碳纖維梁帽。同時參考國內海風葉片的發展情況,東方電氣、上海電氣等公司陸續推出 10MW以上的海風葉片,根據目前的情況,功率10MW且葉片90米以的風機都使用了碳纖維,與SANDIA預計情況基本一致。


      李宗瑞
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