碳纤维 ：御风而行

□ 中国化信产业经济研究院  李舜

世界风能版图：风景这边独好

　　风能是一种清洁、安全的可再生能源，取之不尽用之不竭。从资源总量方面来说，若按 80米高处风速为6.9米/秒计算，得出全球风能可利用资源量为7.2 PW（1PW=109MW）。预计2015年全球用电量将达到2.2PW，到2030年用电量将达到3.0PW。如果全球风力发电技术和规模水平能达到利用10%的风能资源，就足以承载未来全球约1/4的电力需求量。据世界风能协会（GWEC）统计，2011年世界新增风电装机容量41236MW，年增长6%；累计风电装机容量达238351MW，年增长20.9%，其中，包括中国在内的亚洲地区增长最为迅猛，相关数据见图1、表1。

　　我国是世界风能资源与利用大国。据测算，我国陆地风能资源总储量约32.6亿kW，可开发和利用的陆地风能储量有2.53亿kW。“十一五”期间我国风电行业迅速发展。截至2010年底我国新增安装风电机组12904台，装机容量18927.99MW；累计安装风电机组34485台，装机容量44733.29MW。2010年我国风力发电新增装机、累计装机容量首次超过美国，“双居”世界第一。据中国风能协会（CWEA）统计数据显示，2011年我国（不包括台湾地区）新增安装风电机组11409台，装机容量17630.9MW，累计安装风电机组45894台，装机容量62364.2MW，年增长39.4%，其中，其内蒙古为代表的华北地区的风电产业发展最为快速。相关数据见图2、表2。

　　未来世界风电市场仍将保持平稳较快发展的势头，在每年新增的装机容量中，亚洲地区仍将占据主要地位，预计到2015年，世界一半以上的年新增装机将来自亚洲地区。2012～2016年世界风电装机市场预测见图3。

表1   2011年世界各地区风电装机容量增长情况MW

                2010年底累计          2011新增       2011年底累计

中东及非洲    1065             31         1093

亚洲        61106          21298       82398

欧洲        86647          10281       96616

拉丁美洲      1997          1206         3203

北美        44306          8077       52184

大洋洲        2516            342         2858

世界总计    197637          41236       238351

表2  2011年世界新增风电装机容量前十位的国家情况MW

国家           装机容量         占比/%

中国        17631       43.0

美国        6810       17.0

印度        3019         7.0

德国        2086         5.0

英国        1293         3.2

加拿大      1267         3.1

西班牙      1050         2.6

意大利        950         2.3

法国          830         2.0

瑞典          763         1.9

世界其他国家    4865       12.0

前十位总和  35699       88.0

世界总和    40564       100.0

低成本风电技术需材料支撑

　　风能是一种可以长期利用的可再生自然能源，现阶段的风力发电技术也正日趋成熟，在化石能源供给和环境压力日益严峻的形势下，风力发电设备的应用前景广阔。风电的价格和风机功率成反比，风机功率越大，其单位发电成本越低。随着现代风电技术日趋成熟，风力发电机技术沿着增大单机容量、减少单位千瓦重量、提高转换效率等方向发展。随着商业化程度和市场竞争的不断加剧，发展低成本的风力发电技术迫在眉睫。其中，轻质、长寿命的风机叶片是最关键的核心技术之一。

　　叶片是风机的重要组成部分，现代风电机组对于风机叶片提出了更高要求，一方面，要求其具有较好的强度和刚度，整体成形能够满足复杂外形和表面方面的要求，另一方面，要求叶片的具有较好的阻尼性能、耐候以及抗疲劳性能。目前，风机机组正朝着大型化发展。由于叶片的长度和风机的功率成正比，风机功率越大，叶片越长。

　　在兆瓦级风电机组中，1MW风机的叶片长31米，每片重约4~5吨；1.5MW 主力机型风力机叶片长34～37米，每片重约6吨；目前商业化风力发电所用的电机容量一般为1.5～2.0MW，与之配套的复合材料叶片长度大约32~40米，重6~8吨。现今世界上最大的5MW风力发电机的叶片长61.5米，单片叶片的重量接近18吨，旋转直径可达126.3米，这就对材料的强度和刚度提出了更加苛刻的要求。此外，叶片也是风机中成本最高的部件，虽然它的重量不到风机重量的15％，但其成本大约占到了风机总成本的10％。

　　就玻璃纤维复合材料（GFRP）叶片的模量和强度来说，目前的临界长度大约是60米，而碳纤维复合材料（CFRP）的比强度约是前者的2倍，比模量约是前者的3倍，因此，采用碳纤维复合材料能够增加叶片的临界长度。单机发电功率超过3MW、叶片长度超过40米时，在叶片制造时采用碳纤维已成为必要的选择；另外，利用碳纤维的导电性能，通过特殊的结构设计，可有效地避免雷击对叶片造成的损伤。

　　虽然目前碳纤维价格依然是制约其大规模应用的瓶颈，但事实上，当叶片超过一定尺寸后，碳纤维叶片反而比玻纤叶片的价格更具有竞争力，因为材料用量、劳动力、运输和安装成本等都下降了。

　　国际上Vestas在其44米叶片的梁帽采用了全碳纤维；Gamesa在其42.5、44、87和90米长叶片的梁帽上采用了碳纤维/玻纤混杂预浸料；Neg Micon在其40米叶片梁帽上采用碳纤维；Nordex Rotor在其44和56米叶片主梁采用了碳纤维；Repower在其126米直径的叶片的梁帽上采用碳纤维与玻纤混杂预浸料；Dewind在其40米叶片的梁帽采用了预浸碳纤维；GE在其48.5米叶片梁帽上采用碳纤维。国内南通东泰电工在其2 MW风机叶片的主梁采用了碳纤维，中材科技在其56米叶片的主梁采用了碳纤维；中复联众在其39.2米叶片主梁采用碳纤维。德国叶片制造厂家Nordex Rotor开发了56米长的碳纤维叶片，该风机叶片较同类GFRP产品减重40%，成本降低14%，并使整个风机发电装置成本降低4.5%。

　　其他公司在兆瓦级风力机叶片的主承力部位采用碳纤维增强的产品还有：Dewind公司的2.0MW产品、Repower公司和Miltiberid公司5.0MW产品等。

　　当前，全球风机装机容量仍处于加速增长期，由碳纤维复合材料长叶片制成的大容量风机将成为主导趋势，欧洲和亚洲在这一领域已领先于美国。

风能为碳纤维创造新市场

　　碳纤维在大型叶片中的应用已成为一种不可改变的趋势。目前，全球各大叶片制造商正在从原材料、工艺技术、质量控制等各方面进行深入研究，以求降低成本，使碳纤维能在风力发电上得到更多的应用，促进的这一应用的途径有：

   （1）降低成本。一方面，碳纤维本身的成本在不断地降低；一方面，叶片尺寸越大，单位成本也越低。因此，对于3MW（40米）以上，尤其是5MW以上的产品，采用碳纤维材料已经具有较低的综合成本，材料成本的进一步降低将推动碳纤维的大规模应用。设计可靠，市场竞争力强的下一代5M~10MW风机的设计将更多地采用碳纤维。

   （2）采用特殊的织物混编技术。根据叶片结构要求，把碳纤维铺设在刚度和强度要求最高的方向，达到结构的最优化设计。

   （3）采用大丝束碳纤维。碳纤维生产成本高，高性能碳纤维的生产成本更是居高不下，而叶片生产中，采用大丝束碳纤维可达到降低生产成本的目的。

   （4）采用新型成型加工技术，如VARTM和Light－RTM技术。在目前的生产中，预浸料和真空辅助树脂传递模塑工艺已成为两种最常用的替代湿法的铺层技术；对于40米以上叶片，大多数制造商采用VARTM 技术。但Vestas和Gamesa公司仍使用预浸料工艺。技术关键是控制树脂粘度、流动性、注入孔设计和减少材料孔隙率。

　　目前国内还有一些重要的风电叶片厂在考虑和试用碳纤维预浸料。风电叶片基本采用类似于T300～T400水平的大丝束碳纤维（48K或50K）。当前，碳纤维在风电领域实现大批量应用还有一定困难，这与玻璃纤维的技术进步与碳纤维成本有关。为实现市场突破，可以从借鉴以下思路：①叶片结构设计上充分利用碳纤维的优势，全面创新结构设计；②从叶片的设计要求看，碳纤维的模量是非常重要的指标，也是与玻纤竞争的关键所在，中模量大丝束碳纤维无论从性能还是成本方面都能满足应用需求，具有较强的竞争优势。虽然如此，碳纤维在风电领域实现快速渗透的趋势仍将持续。

　　2010年以来，全球风电产业发展明显减速，而我国的风电产业已失去国家的扶持和补贴，在激烈竞争的环境下，风电企业将更多的考虑经营成本和风险，不仅要考虑每千瓦的造价，更要重视度电成本，从风电投资、风电场运营维护成本和发电量等综合考虑，长期来看，将有利于叶片的大型化和碳纤维化。2010年全球风电领域碳纤维需求量为9990吨，虽2011年全球风电装机增速有所下滑，但是预计至2019年全球将生产2.7万台风机以及8.2万片叶片，其中CFRP叶片将占全部叶片材料的7%左右，即对碳纤维的需求量接近6.4万吨。2010~2019年，风电领域对碳纤维需求的复合增长率将达到23%。

我国风电发展机遇大于挑战

　　我国风电产业的发展取得了举世瞩目的成绩，华锐风电等4家企业进入了世界风电整机制造企业前十的行列，但未来风电产业的发展仍面临一系列的挑战。

　　由于风电的运行受自然条件影响，稳定性与火电、水电等无法相提并论，因此其对电网运行安全形成了一定威胁。由于在现有电力运行体制下无法消纳更大规模的风电，导致了资源丰富地区的风力资源开发利用效率大幅下降。2011年以来，国家控制“三北”一线地区风电发展规模和速度，转而重点发展山西、陕西、宁夏、河北、辽宁等电网接入相对较好的“三北”二线地区以及东南沿海、内陆低风速地区。

　　然而，在现有电力市场运行体制下，上述省区电网可继续接入的风电容量也很有限，而沿海地区和内陆低风速地区省份受风电开发成本、土地利用规划、环境影响等因素限制，在现有技术手段、电价政策、管理体制条件下可经济开发的风电规模也有限。因此，如果在2014年之前“三北”地区并网与消纳问题以及中东部、内陆地区的相关配套政策无法得到解决和完善，未来我国风电产业将面临挑战。此外，目前我国尚不能实现大丝束碳纤维的自给，长期使用国外高价产品不利于国产风电叶片降低成本，因此，风电产业的健康发展还有赖配套产业的完善与提高。

　　尽管经济危机带来的影响还未完全散去，现有体制机制方面的矛盾还不能完全理顺，但在化石能源日益枯竭的背景下，风电市场持续发展的势头不会改变。在各方的共同努力之下，我国风电产业的发展必将在不久的未来迎来崭新的一页。