国产碳纤维在风电叶片产业中的机会 ——七论国产碳纤维产业化之路

中国风力发电网讯：最近风电叶片碳纤维年用量超过2万吨的现象引起了大家的关注，从碳纤维生产企业到复合材料生产厂家都纷纷涌入风电行业，希冀在这个行业捞到一桶金。作者希望通过本文与大家分享对碳纤维复合材料在风电叶片中大量应用的分析，并再一次共同探讨国产碳纤维产业化之路。

1 风电叶片碳纤维用量剧增现象的剖析

近来碳纤维复合材料界传递着一个喜人的消息，就在四年前一些权威大佬认为碳纤维在风电叶片大量使用碳纤维为时尚早，风电行业领头企业VESTAS濒临破产之际，2015年碳纤维在风电叶片上的全球应用就像2009年波音787首飞成功一样，用量急剧增加，继航空用碳纤维用量需求达到2万吨之后，ZOLTEK的大丝束碳纤维变成市场上的枪手货，需求超过2万吨，VESTAS也转亏为盈。在风电叶片的碳纤维用量中，VESTAS占了80%以上。以VESTAS中国供应商为主国内生产风电叶片碳纤维用量见表1，2018年江苏澳盛和威海光威成了碳纤维的最大用户，两家的用量即将突破万吨，市场上大丝束碳纤维供不应求。林刚先生连续四年为大家提供了全球碳纤维市场报告，作者将其中有关风电叶片的数据汇总见表2（2017年用量严兵的说法是24000吨，若按此数据修正的数据见表中括号所示）。其中风电叶片用碳纤维与其制品的单价在此进行了调整，从而其产值也相应发生了变化，2015年以前主要采用预浸料或织物的真空导入，部分采用小丝束碳纤维，因此平均价格高一些，近年来主要采用大丝束碳纤维拉挤梁片，价格降低了很多。从用量和制件产量来看是急剧增加，但创造的产值实际上是降低了。但正因为风电叶片（主要是大梁）碳纤维复合材料制品价格大幅降价，才成就了碳纤维用量的急剧增加，反映了引导工业领域大规模应用碳纤维的方向——"买得起"（Affordability）。

图1所示是风电叶片大梁采用的3种工艺：预浸料铺贴真空袋压成型、织物预成型+真空导入和拉挤梁片，过去主要是前2种工艺，由于效率低、成本高，研究表明：按这样的材料与工艺，只有40m以上的风电叶片使用碳纤维替代玻璃纤维才可能被用户接受。实现风电叶片大梁低成本化的表观主因是采用了高效低成本高质量的拉挤梁片工艺，但究其根源VESTAS在大梁结构的革命性创新设计才使拉挤梁片的使用成为可能，图2所示是VESTAS的主梁结构示意图。这种设计理念把整体化成型的主梁主体受力部分拆分为高效低成本高质量的拉挤梁片标准件，然后把这些标准件一次组装整体成型，其优点表现为：1)通过拉挤工艺生产方式大大提高了纤维体积含量，降低了主体承载部分的重量；2)通过标准件的生产方式大大提高了生产效率，保证产品性能的一致性和稳定性；3)大大降低了运输成本和最后组装整体成型的生产成本；4)预浸料和织物都有一定的边角废料，拉挤梁片及整体灌注极少。按这种设计和工艺制造的碳纤维主梁，兆瓦级的叶片均可使用，大大扩展了碳纤维的使用范围。