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​竞争白热化,国内风电大叶片技术格局生变!

2022-12-23 14:00来源:北极星风力发电网作者:冉小冉关键词:风电叶片风电市场风电技术收藏点赞

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从2008年我国第一片38米长的兆瓦级风电叶片下线,到2022年12月全球最长叶轮直径260米海上抗台叶片下线,不足15年时间国内风电叶片长度增长近3倍之多。近年来,围绕风电叶片的技术创新此起彼伏,在大型化、材料、设计生产等领域屡获突破,技术的跨越使叶片无论从长度还是性能都获得了前所未有的提升。

在这个过程中,国内风电叶片产业的技术格局也悄然变化。在产业降本增效压力,以及高质量发展需求下,由风电整机企业主导的技术与材料创新,横向刷新着风电叶片的长度,纵向刷新着叶片成本与设计能力,成为引领国内风电叶片技术变革的中坚力量,加快风电产业的创新速度。

长度突破

在国内大兆瓦机组的持续迭代下,为了捕获更多的风能,大叶片需求陡增。另一方面,大功率风机是风电降本的主要手段,作为风机三大关键部件之一,大叶片自然也成为配合整机技术进步、推动风电成本下降的必要技术创新手段。

可以说,步入平价后的2021-2022年是我国叶片技术迭代最具代表性的阶段。在这两年的时间内,我国海上风电风电叶片不但快速进入百米时代,更是问鼎全球叶片最长记录。

据北极星风力发电网不完全统计,2021-2022年间几乎每隔2-3个月就会出现一次叶片长度的刷新。

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一直以来,我国风电叶片市场格局相对稳定。截止2020年底,我国有风电叶片产出的企业约20家,中材科技、时代新材、中复连众、双瑞风电等以原材料起家并深耕风电叶片的龙头企业位居市场前列,以东方风电、明阳智能、三一重能等整机商子公司为代表的叶片企业独具供应链优势,以及天顺风能、艾朗科技等民营企业也不逞多让,盘踞市场第二梯队。

但一个现象在近几年的发展中愈发明显——随着整机技术的差异化竞争,为了更好地与整机设计匹配,叶片研发设计的主动权和引导权逐步由材料叶片企业过度到整机企业,以至于2021-2022年间,行业所看到的叶片技术突破绝大部分由整机企业主导实现,一定程度上体现了叶片技术引领格局的变化。

当然,大叶片也为产业各方带来诸多挑战,在叶片大型化趋势下,叶片的载荷和重量不断增大,其必然导致的后果就是需要更加强力的传动系统和塔筒支撑,这使得风电整体造价提升、甚至运行不稳定因素增加。

因此,对于制造企业来说,技术的投入和发展必须要有前瞻性,未来轻量化、高强度、经济性将是风电叶片的布局方向,如何通过更加创新的设计思路、材料应用,在增加叶片长度的同时降低重量、保持韧性,成为叶片产业的必经之路。

材料革新

叶片三大原材料:玻纤/碳纤维、树脂、芯材。

当前,国内陆上风电叶片以玻纤为主,十几年的发展已经使国内叶片供应链实现了树脂、玻纤的全部国产化,平价前夕疯狂涨价的巴沙木当前也已回落至稳定水平。但国内高性能碳纤维材料仍然严重依赖进口,而在海上超长叶片领域,碳纤维已经成为叶片技术迭代的必选材料。

碳纤维的相对密度约比玻纤小30%,抗压强度却高出40%。研究表明,相同叶片长度下, 引入碳纤维的叶片重量比玻纤可降低约15%的重量。且碳纤维韧性更大,采用碳纤维的叶片弯曲刚度提升,可有效改善叶片的空气动力学性能,降低叶片对传动系统和塔筒的负载,从而进一步提升捕风能力和运行稳定水平。

生产中,碳纤维一般应用于叶片主梁,主梁占比叶片总重量1/3左右。中国建材集团董事长周育先曾在一档节目中表示,实现主梁等关键部分的碳纤维替代可以降低叶片重量20%左右,这对风电系统成本下降、性能稳定将是巨大的贡献。

但对于风电叶片而言,碳纤维140-150元/公斤的价格明显还过于昂贵。昂贵的原因,一方面是国内高性能碳纤维材料严重依赖进口,另一方面是国内尚未形成足以支撑我国制造业升级转型的产能规模。

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2021年国内风电行业使用碳纤维约3万吨,虽然只是部分叶片用到了碳纤维,但这个使用量已经占全球的30%。在海上风电的发展推动下,预测到2025年,行业对碳纤维的需求将达9万吨,到2030年可能要增长到20万吨。可以说,碳纤维应用必将成为推动风电叶片产业升级的下一个重要突破口。

绿色循环

对风电发展来讲,叶片产业可持续发展的另一个重要考量因素就是绿色循环和回收再利用技术上的持续研究和突破。即便现在这个问题尚未迫在眉睫,但建立可再生能源全产业链绿色循环体系已经成为全球共识。

2021年5月,维斯塔斯公布了一项CETEC(热固性环氧树脂复合材料)叶片回收技术,可以在风机退役拆除后,将叶片材料用于较低级别产品的二次生产。但维斯塔斯也透露,这项技术真正应用于成品风机还需要6~7年的时间。

2022年3月,GE旗下LM叶片企业宣布第一支100%可回收的叶片问世。该“零废”叶片由Elium树脂和玻璃纤维制成的,Elium树脂是一种热塑性可回收树脂,可用化学回收的先进方法使树脂完全解聚将玻纤与树脂分离,从而实现循环使用。

同样基于对叶片发展的前瞻性考量,国内企业也积极推动风电叶片循环利用的发展。

2021年7月,由鉴衡认证中心、金风科技、中材叶片等公司联合发起的“风电叶片绿色回收与应用联合体”成立,旨在建立更加完善的叶片绿色回收与延寿利用技术体系,以破解百万吨级风电叶片的环保处理难题。

中国可再生能源学会风能专委会秦海岩秘书长曾分享过布莱恩.阿瑟《技术的本质》一书中的观点:为了解决新技术带来的新问题和新需求,会进化出更多的新技术;如果一个国家希望能够引领先进技术,它需要的不是投资更多的工业院区或培养含糊的“创新”,它需要建立其基础学科,而且不带有任何商业目的。

纵观国内风电叶片产业发展的十五年,技术的支撑始终处于引领地位。而且,本质上来看,叶片的发展其实就是一部新材料发展史,依托“材料学”这个基础学科的不断突破,才有了当前百米级风电叶片的“随风起舞”。

全球能源转型下,新材料、智能制造、绿色供应链将是风电叶片发展的三大趋势,也将成为支撑我国可再生能源高质量发展的中流砥柱。


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