一、引言

隨著風電機組的大型化發展， 輕量化設計要求愈加突出。15ＭＷ 以上級風電機組超長葉片對材料的強度、 剛度和耐疲勞性能提出了更高的要求， 為碳纖維復合材料在風電葉片領域的批量應用提供了前提。小絲束碳纖維力學性能優異， 但受成本因素制約， 在風電葉片領域的規模化推廣應用一直停滯不前， 而近十年來大絲束碳纖維的發展恰恰踏上了全球風電復合材料葉片快速增長的節拍。2022 年， 風電葉片碳纖維用量高達3.47萬噸， 占全球碳纖維用量的 25.7％， 根據預測未來十年風電行業對碳纖維需求依然強勁， 預計到 2030年可達 19.5 萬噸以上， 風電板材制造企業更是提出了對低成本碳纖維的價格的迫切要求。

風電葉片尺寸越長， 整體柔性變形就越大，需要控制運行過程中的葉尖撓度變形來保證葉片與塔架之間的安全距離，否則會發生掃塔事故。

玻璃纖維是目前用量最大的風電葉片主梁原材料，據統計， 風電葉片玻璃纖維用量占我國玻璃纖維總產能的 20％ ～ 25％。玻璃纖維的拉伸模量是影響葉片變形的關鍵因素之一， 超高模量玻璃纖維對于提升葉片剛度意義重大。近10 年來， 玻璃纖維企業通過持續不斷的技術創新， 開發了各種規格的玻璃纖維。從圖中可以看出， 每一代玻璃纖維的模量都提升了 10％左右， 超高模量玻璃纖維／ 環氧樹脂拉擠板材的模量也達到了70Ｇｐａ。這些進展有力地促進了風電葉片大型化的發展， 目前長度80ｍ以下葉片設計基本都是以玻璃纖維為主的材料體系。

超高模量玻璃纖維拉伸模量已達到理論值的90％左右，已無法繼續滿足發展更大尺寸的海上風電葉片的要求。碳纖維的拉伸模量比玻璃纖維高3～10倍、比重小30％，在大尺寸風電葉片設計制造上具有明顯的優勢。隨著葉片尺寸增加，重量越來越大，為提高剛度和耐疲勞性能，使用碳纖維替代玻璃纖維成為必然選擇，但碳纖維的價格通常為玻璃纖維的8～15倍，兼顧成本因素，部分風電葉片生產企業的長度80～120ｍ的風電葉片采用了碳纖維／玻璃纖維（碳玻）混雜結構，長度120ｍ以上風電葉片則采用純碳纖維復合材料（見下表）

碳玻混雜風電葉片拉擠板材可根據實際使用工況和成本因素對碳玻混雜比（碳纖維與玻璃纖維的體積分數比值）進行調整，例如國內某企業生產的碳玻混雜拉擠板材碳玻混雜比有1:2和2:3兩種規格。德國Repower公司、丹麥ＬＭ公司、西門子歌美颯、明陽智能的部分型號風電葉片主梁板材均采用了碳玻混雜結構。

隨著海上大功率風電機組的發展， 更大尺寸 葉片成為必經之路， 目前長度120 ｍ 以上葉片則必須應用碳纖維板材 （碳板） 進行設計。采用碳板制備的風電葉片不僅力學性能優異， 而且更加節能減排， 以 ３ＭＷ 的風電機組為例， 使用碳纖維復合材料葉片與使用玻璃纖維復合材料葉片相比，ＣＯ２總減排量大于 1000噸， 當用于更大功率的風電機組時， 使用碳纖維復合材料葉片的ＣＯ２減排效果更加顯著。

當前風電葉片碳板的成型工藝逐漸固化為拉擠成型技術。大絲束碳纖維復合材料拉擠成型工藝流程成為主流，其具體工藝流程如圖所示。設備主體包括紗架及導紗裝置、 樹脂槽、 預成型裝置、 加熱固化裝置、 牽引裝置， 切斷裝置， 配套的還有收卷裝置、 控制系統、 安全防護裝置及報警裝置等。

江蘇恒神股份有限公司（中國），致力于碳纖維及其編織和無捻粘接（NCF）織物、預浸料、樹脂及其他復合材料的研發與生產，現宣布獨家提供碳纖維織物，用于制造由廣東明陽集團開發的MySE292超大型海上風電葉片。MySE292葉片長143米，葉輪直徑達292米，超越了明陽集團于2023年1月宣布的18兆瓦風力發電機型號。該葉片已于今年2月在海南東方智能制造基地成功下線，是迄今為止全球葉輪直徑最大的風電機組。恒神擁有年產5000噸碳纖維的生產線，產品組合涵蓋生絲、碳纖維、浸漬劑、織物、液態樹脂、粘合劑、預浸料、碳纖維復合部件及航空復合結構部件。2021年，恒神股份有限公司的24K碳纖維、織物和碳板產品獲得了國際權威認證機構DNV的認證。至今，公司已向包括遠景能源、上海電氣和明陽智慧等國內外知名風力發電機制造商批量供應碳纖維拉擠板和經編織物等產品。

恒神表示，2024年將繼續發揮整個產業鏈的技術優勢，以創新驅動發展，突破技術邊界，推動產品技術創新，并致力于提供超出客戶期望的產品和服務，助力中國實現“雙碳經濟”目標和綠色可持續發展。

2021～ 2022年， 風電市場發展相對低迷， 中國可再生能源學會風能專業委員會數據顯示：2022 年全國新增風電吊裝容量同比下降約11％，其中海上風電同比下降超六成。但自2022年底以來， 各地風電項目建設逐漸恢復， 西部陸上、 東部海上風場籌建、 招標正在如火如荼的進行中，各大主機廠及配套廠均在擴產擴能， 據預測， 到2023年年底， 全國配套風電葉片的板材拉擠生產線將達到2500 條。中國電力企業聯合會發布的《2023 年度全國電力供需形勢分析預測報告》 中預計， 2023 年風電新增裝機將達到6500萬ｋＷ·ｈ，對比 2022 年有巨大增幅。隨著在建大絲束碳纖維的產能逐漸釋放和新型低成本高效率自動化制備技術的不斷進步， 玻璃纖維板材、 碳纖維板材以及新型低成本樹脂體系板材將在不同功率的風電葉片應用上形成分賽道競賽的局面， 原材料、 技術開發、 生產及應用各個環節配合會愈加緊密，我國的風電產業在未來 5 ～ 10年內會有更大規模的爆發式增長。