大絲束碳纖維成本驟降，工藝提升，產(chǎn)能擴張，支撐起葉片大型化、輕量化、高可靠性的需求。碳纖維葉片應(yīng)用的奇點已經(jīng)來臨。

碳纖維，一種高性能無機高分子纖維材料，含碳量超過90%，以其超輕、超強、耐腐蝕的特性，被譽為“新材料之王”。其比重不到鋼的1/4，強度卻是鋼的7~9倍，這使得它在風電葉片制造中具有得天獨厚的優(yōu)勢。然而，長期以來，由于碳纖維制造工藝復雜，價格“高攀不起”，國內(nèi)只有少量試驗風電機組采用了碳纖維葉片。

如今，隨著工藝的技術(shù)進步、制造設(shè)備的國產(chǎn)化，企業(yè)主動讓利等市場行為，碳纖維價格已由1年多前的130萬元/噸，降為70萬元/噸左右，產(chǎn)品性能高于國際水平的3%~5%。

2023年，全球風電市場的碳纖維用量高達2.5萬~3萬噸。在國內(nèi)，碳纖維用量從微乎其微猛增至6000噸。未來，隨著風電機組持續(xù)向大型化邁進，應(yīng)用場景不斷豐富，風電領(lǐng)域的碳纖維用量在全部碳纖維用量中的占比將超過30%。風電葉片大規(guī)模使用碳纖維的奇點已經(jīng)來臨。

碳纖維完美解決玻璃纖維的不足

近幾年，風電機組的單機容量迅速提升，葉片的長度、重量紀錄不斷被打破。陸上風電機組葉片最長已達130米，海上風電機組葉片接近150米。長葉片對材料的強度和剛度提出了更加苛刻的要求，高模量玻璃纖維的性能已經(jīng)觸及“天花板”，無法滿足葉片大型化、輕量化的要求。

同時，自2021年以來，與長葉片相關(guān)的安全質(zhì)量事故呈高發(fā)態(tài)勢。據(jù)不完全統(tǒng)計，在各類事故中，葉片失效占比接近40%。其中，除設(shè)計缺陷、掃塔、外力損傷外，質(zhì)量問題的占比最大。

“由于降本導致的產(chǎn)品更新迭代太快，整體的設(shè)計更加激進，超長葉片的設(shè)計安全邊界越來越小，沒有更高的安全裕量來保證額外的安全性，又未進行充分驗證，質(zhì)量控制不達標，尺寸效應(yīng)導致了一些設(shè)計盲區(qū)，常規(guī)方法考慮不到的失效和損傷也越來越多。”鑒衡認證中心風能事業(yè)部葉片認證部葉片技術(shù)帶頭人路緒恒向《風能》透露。

長柔葉片帶來的可靠性問題日益凸顯。“為了滿足凈空的要求，葉片必須具有足夠的剛度，葉片設(shè)計工程師不得不通過增加主梁玻璃纖維的用量，甚至犧牲氣動效率來提升葉片剛度，而重量增大會導致葉片出現(xiàn)共振、扭轉(zhuǎn)等問題，進一步增加安全風險。”一位業(yè)內(nèi)人士向《風能》透露。大葉輪機組的葉片斷裂后，會導致巨大的不平衡力，疊加塔架輕量化設(shè)計，容易發(fā)生倒塔。因此，解決好葉片問題，會極大提升地風電機組的質(zhì)量和可靠性。

此外，從壽命角度考慮，在越來越多的風電項目中，業(yè)主會要求風電機組運行25~30年，復合材料的可靠性對于保障風電機組長期安全運行至關(guān)重要，材料創(chuàng)新及革命性替代迫在眉睫。

以碳纖維復合材料為主梁的葉片，恰好完美地解決了玻璃纖維存在的不足與缺陷。

從材料性能看，碳纖維比玻璃纖維具有更低的密度（低30%左右）、更高的強度（0°拉伸強度可提高35%）、更高的模量（是玻璃纖維的2.5~3倍），以及更優(yōu)異的抗疲勞性能。碳纖維耐高溫、抗腐蝕、膨脹系數(shù)小，在沙戈荒和惡劣的海洋環(huán)境中能夠延長葉片的使用壽命。

由于具有比強度與比剛度的優(yōu)勢，碳纖維可以幫助實現(xiàn)葉片的輕量化，并且在一定范圍內(nèi)，越長的葉片，其輕量化效果越好。根據(jù)行業(yè)測算，通過應(yīng)用碳纖維，120米級風電葉片可減重25%~35%。

“碳纖維葉片還可以較好地解決長柔葉片的穩(wěn)定性問題，增強葉片的結(jié)構(gòu)剛度，減輕氣動外形對結(jié)構(gòu)剛度的限制，使葉片能夠以更加細長而薄的外形進行設(shè)計，相當于把超過100米葉片柔性的程度又拉回80米級別的水平，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的葉尖速比，從而在提升發(fā)電效率的同時，有效降低載荷。此外，細長的外形設(shè)計減少了葉片表面積，有助于減少材料的使用，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化。”上海電氣風電集團股份有限公司葉片設(shè)計所所長兼葉片專業(yè)總工程師李文科表示。

碳纖維葉片重量輕，載荷降低，會給整機降本帶來意想不到的優(yōu)勢。輪轂、軸承、變槳、塔架、發(fā)電機、齒輪箱、螺栓等都會受益于碳纖維材料的應(yīng)用；葉片的絕對厚度降低，提高了生產(chǎn)的可制造性；葉根節(jié)圓變小，便于運輸和吊裝，進而降低成本和風險。在同等重量的情況下，應(yīng)用碳纖維材料可以增大風電機組的單機容量，進而節(jié)約用地、用海面積，提高資源利用率。

雖然使用碳纖維材料會增加成本，但綜合整機和全生命周期的成本進行核算，碳纖維在長葉片中的應(yīng)用仍具有很高的競爭力。可以說，碳纖維材料為風電行業(yè)提供了一個相對完美的解決途徑。

實現(xiàn)纖維增強復合材料嵌入過程的工藝路線主要包括預(yù)浸料成型、灌注成型、拉擠成型三種。2015年后，維斯塔斯開發(fā)出碳纖維拉擠工藝制作的葉片主梁，開始在風電領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用。拉擠板結(jié)構(gòu)能夠系統(tǒng)性地發(fā)揮碳纖維材料的力學性能，其制造工藝簡單，質(zhì)量穩(wěn)定，性價比最高，已成為長葉片最可行的應(yīng)用路線。目前，10MW以上機型、長度超過90米的風電葉片主梁基本都采用碳纖維拉擠板工藝。

制造廠商主動打破僵局

一年多來，碳纖維的價格已經(jīng)從“高不可攀”變得“平易近人”，這是如何做到的？

事實上，碳纖維的生產(chǎn)流程復雜，對設(shè)備和技術(shù)要求極高。制備過程眾多控制點相應(yīng)的參數(shù)積累往往需要數(shù)年，配方、工藝和工程壁壘難度逐級增加，突破期合計需要超過10年。其產(chǎn)線的投資門檻高，公開資料顯示，萬噸投資額普遍在20億元以上，且投資回報率低，投資回報期通常超過10年。這些因素導致碳纖維的價格一直居高不下。

在國際上，近幾年，大兆瓦風電葉片的主梁主要使用碳纖維材料。而在國內(nèi)，受招標時將單位兆瓦的建設(shè)成本作為主要衡量因素的影響，葉片企業(yè)用不起碳纖維，導致其很難實現(xiàn)大規(guī)模市場化應(yīng)用。

一邊是碳纖維企業(yè)基于成本和規(guī)模考慮無法自降身價，一邊是葉片或整機生產(chǎn)制造企業(yè)面對質(zhì)量好但用不起碳纖維的翹首以盼、夢寐以求。對此，如何打破國內(nèi)市場的僵局？

吉林化纖集團有限責任公司（下稱“吉林化纖”）副總經(jīng)理岳福升向《風能》介紹：“我們通過采取綜合性降成本措施，主動將碳纖維價格降到國內(nèi)風電企業(yè)用得起得的價格區(qū)間。首先是技術(shù)降本，采用獨特的濕法成型等專業(yè)技術(shù)，優(yōu)化配方，實現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)。二是實施顛覆性工藝流程再造，實現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化。為此，我們整合了原來的研發(fā)工廠，收購了一家設(shè)備企業(yè)，將專利技術(shù)、工藝流程融合進來，起到了很大作用。三是從原材料和應(yīng)用綠色能源方面降低成本。四是向產(chǎn)業(yè)布局和管理要效益。最后經(jīng)過核算，實現(xiàn)成本的大幅下降。”

在市場策略上，吉林化纖采取了“放水養(yǎng)魚”，實現(xiàn)“水多魚多”循環(huán)的舉措。岳福升表示，“我們先將未來可能實現(xiàn)的成本價格交給行業(yè)，通過行業(yè)的放量，進一步降低成本，促進規(guī)模化生產(chǎn)。即先讓利于下游的應(yīng)用端，再通過應(yīng)用端的產(chǎn)業(yè)拉動，分攤成本，進一步促使成本下降。這意味著我們需要放棄初始的利潤，把產(chǎn)業(yè)當成自己的一部分去培育，最后形成正向循環(huán)。”

國內(nèi)碳纖維廠商擴產(chǎn)的加速，帶動碳纖維的價格走低。當前，國內(nèi)碳纖維拉擠板產(chǎn)線已超過300條，產(chǎn)能突破4萬噸。吉林化纖則以質(zhì)量和規(guī)模搶占先機，占據(jù)國內(nèi)風電葉片碳纖維拉擠板、原絲90%的市場份額。

碳纖維能夠平替玻璃纖維嗎？

為什么在90~120米風電葉片中，部分整機商仍堅持使用玻璃纖維作為主梁？這主要是出于價格方面的考慮。玻璃纖維拉擠板的價格在15元/千克左右，碳纖維拉擠板的價格是其5倍。單支玻璃纖維葉片比碳纖維葉片可以節(jié)省20萬~50萬元，單臺風電機組則相差60萬~150萬元。陸上風電百米級葉片通常只在PS面（壓力面）的主梁中使用碳纖維材料。

超高模量玻璃纖維的拉伸模量可以達到100GPa，同時兼有成本優(yōu)勢。若能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)，其在風電行業(yè)中仍將扮演重要角色。然而，當葉片超過一定尺寸后，尤其是對于100米以上的葉片，應(yīng)用碳纖維的優(yōu)勢將顯現(xiàn)。因此，在追求更長葉片的海上風電領(lǐng)域，碳纖維的應(yīng)用必將持續(xù)增加。這幾乎成為行業(yè)的共識。

價格持續(xù)下降后，碳纖維就可以替代玻璃纖維嗎？有專家認為，單純從價格上來說，碳纖維的成本需要降到30元/千克，才能平替玻璃纖維。但這只是一種理論上的簡單比較，實際上兩者不是一種材料，就技術(shù)原理、能耗、材料的獲取難度及工藝而言，都不在一個可以對比的序列中。

在岳福升看來，面對碳纖維造成的成本上升，應(yīng)從采用碳纖維帶來的部件和整機全生命周期的優(yōu)化來考慮其性價比。通過提升發(fā)電量，可以平衡在葉片中應(yīng)用碳纖維材料帶來的成本增加。據(jù)了解，對于同等長度的葉片，相比玻璃纖維葉片，采用碳纖維能夠?qū)L電機組的年發(fā)電量提高4~5%。

岳福升向《風能》表示：“我們和整機商、業(yè)主進行多輪充分溝通。目前，行業(yè)內(nèi)形成了共識，認為低價競標不可持續(xù)，并逐漸深刻地認識到產(chǎn)品品質(zhì)的重要性，會對成本進行綜合考量。已經(jīng)有業(yè)主在陸上風電項目中嘗試或推廣碳纖維葉片，有企業(yè)在招標書上明確要求使用碳纖維作為葉片的主梁。”

他透露，未來，招標文件中對風電項目的質(zhì)量安全有可能實行終身追責制，這將對過去簡單的招標方式產(chǎn)生重大影響。對技術(shù)人員、總工、項目負責人來說，如果不能保障風電機組安全穩(wěn)定運行，將對個人和企業(yè)產(chǎn)生很大風險。這對碳纖維的應(yīng)用來說，是一個重大利好。

碳纖維需要克服短板與局限

如同硬幣的兩面，碳纖維同樣存在短板和不足。

碳纖維按纖維數(shù)量可分為小絲束、大絲束。用于風電葉片上的為大于48K（1K代表1000根絲）的大絲束碳纖維。目前，大絲束低成本碳纖維的應(yīng)用工藝逐漸成熟，模量達到了150GPa。經(jīng)過不斷摸索，碳纖維的含量穩(wěn)定在60%~68%較為理想。

從材料級測試結(jié)果來看，碳纖維制品強度和模量的CV值(衡量其性能穩(wěn)定性的重要指標)仍然存在改善空間。在設(shè)計應(yīng)用方面，壓縮強度是最大短板，拉伸強度相對存在富裕，因此需要重點改善拉壓性能的匹配程度。

“碳纖維拉擠板的規(guī)模化應(yīng)用，亟須提升性價比。其中,性能的提升并不在于把碳纖維的模量做得越高越好，雖然模量的增加可以減少碳纖維的用量，但碳纖維葉片往往是強度驅(qū)動，因此更需要關(guān)注壓縮失效應(yīng)變(強度和模量的比值)。”中材科技風電葉片股份有限公司技術(shù)總監(jiān)魯曉鋒表示。

碳纖維在運輸、保存和使用過程中，對于環(huán)境溫度、濕度的要求高；碳纖維具有導電性，需要設(shè)計專門的避雷系統(tǒng)。同時，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象累積電荷，碳纖維主梁必須導通以均布電勢，并接地。

碳纖維具有導電性能，這有弊也有利。比如通過在葉片前緣葉尖外表面鋪覆碳纖維，通過電流加熱，可有效去除葉片表面覆冰，確保風電機組在冬季結(jié)冰期的安全可靠運行。株洲時代新材料科技股份有限公司（下稱“時代新材”）已有100多套樣機，利用碳纖維導電性能除冰，實踐效果良好。

碳纖維拉擠板在從拉擠到鋪設(shè)的施工過程中，還有一些缺陷需要克服。例如，碳纖維拉擠板之間采用純碳織物，易出現(xiàn)干紗及浸入不良，導致力學性能差，承載能力弱。針對于此，需要提升拉擠板層間剪切性能，可更改層間織物類型，采用碳玻混編雙軸織物或純玻雙軸織物。碳纖維拉擠板多為平面直線形，與葉片殼體曲面隨形貼合可能存在間隙，當主梁與殼體一體灌注成型時，極有可能發(fā)生富樹脂缺陷，造成應(yīng)力破壞，導致葉片整體可靠性下降。此時，可使用預(yù)制手段，并在灌注后進行無損檢測。

此外，玻璃纖維是透明的，而碳纖維是不透明的，后者的產(chǎn)品內(nèi)部缺陷檢測難度較大。不過，采用相控陣超聲檢測技術(shù)，可實現(xiàn)碳纖維復合材料的無損探傷檢測。

材料的進步給葉片設(shè)計和制造提供了更大的選擇空間，但任何一項新的設(shè)計方法、新材料和新生產(chǎn)工藝的引入都會增加葉片安全的不確定性，需要重新進行設(shè)計和優(yōu)化。金風科技股份有限公司研發(fā)中心葉片開發(fā)部部長李權(quán)舟表示，需要全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，助力碳纖維葉片的可持續(xù)發(fā)展：氣動-結(jié)構(gòu)-材料聯(lián)合開發(fā)應(yīng)用，可挖掘兩面碳、三面碳最佳組合；防雷設(shè)計需結(jié)合仿真-測試-風電場運維不斷迭代更新，并在生產(chǎn)-運輸-運維全鏈條應(yīng)用跟進和優(yōu)化，確保使用安全；從整機綜合成本角度評估采用碳纖維葉片的成本優(yōu)劣，推動以輕量化碳纖維葉片為核心，進行整機設(shè)計，并實現(xiàn)從材料、部件、整機到風電場全鏈條測試驗證及保障。

從測試驗證角度看，為保障材料性能，需要從原材料、部件級到葉片全尺寸進行力學性能測試，全面評估碳纖維葉片可靠性。考慮碳纖維生產(chǎn)時工藝和性能的穩(wěn)定性，要加大抽樣頻率，進行材料性能的復測，部件級的拉擠板層間性能研究尤為重要。除了常規(guī)的地面測試外，整機載荷測試可進一步驗證葉片仿真-測試及現(xiàn)場驗證一致性過程，確保系統(tǒng)可靠性，而這需要更多的經(jīng)驗和技術(shù)積累。

此外，時代新材風電產(chǎn)品事業(yè)部總工程師馮學斌強調(diào)，在單個產(chǎn)品達到質(zhì)量與性能穩(wěn)定要求的基礎(chǔ)上，能否在批量生產(chǎn)、工程化過程中很好地控制葉片的質(zhì)量，是未來應(yīng)用過程中需要特別關(guān)注的。

需加強產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同與標準制定

在積極的政策支持下，風電行業(yè)將保持高速發(fā)展。隨著風電機組風輪直徑的不斷增大，碳纖維價格的降低，碳纖維葉片的應(yīng)用將日益廣泛。國內(nèi)大絲束碳纖維的市場用量將進一步擴大，預(yù)計今年會超過1萬噸。未來一段時間，大絲束碳纖維價格將維持70元/千克左右。除“三北”、海上風電市場外，在中東南低風速地區(qū)，為解決發(fā)電量較低的問題，也將會產(chǎn)生一定的碳纖維葉片需求。有機構(gòu)預(yù)計到2025年，國內(nèi)風電領(lǐng)域的碳纖維用量會達到2.7萬噸。

擴大碳纖維在風電上的應(yīng)用場景，可以為行業(yè)帶來更多想象空間。例如，推動碳纖維在陸上風電110米以上超長柔葉片中的應(yīng)用；老舊風電機組采用碳纖維葉片進行定制化升級，替換舊葉片。未來，隨著碳纖維產(chǎn)量的進一步增加，以及碳纖維、碳纖維織物或拉擠工藝成本的降低，業(yè)內(nèi)人士預(yù)測碳纖維或?qū)?yīng)用于葉片殼體中，這樣可進一步有效地提高葉片的剛度，降低應(yīng)變，增加扭轉(zhuǎn)剛度。當然，全碳葉片的防雷系統(tǒng)，需要全方位加強。

提升碳纖維等原材料及長葉片產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和良品率，形成批量化生產(chǎn)能力，針對風電應(yīng)用場景，不斷降本增效，是圍繞碳纖維進行全鏈條迭代升級的整體目標。推廣碳纖維的應(yīng)用，需要全產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同，通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新，共同努力解決產(chǎn)業(yè)鏈面臨的挑戰(zhàn)。馮學斌建議，碳纖維企業(yè)應(yīng)避免過度重復建設(shè)，更多關(guān)注從技術(shù)上開發(fā)低成本碳纖維；葉片和整機生產(chǎn)制造企業(yè)需加強聯(lián)合設(shè)計，從整體出發(fā)，開發(fā)高性價比、高可靠性的風電機組；業(yè)主方應(yīng)改變唯價格的招標方式，更多地考慮技術(shù)附加值帶來的經(jīng)濟收益。碳纖維生產(chǎn)廠商呼吁，風電產(chǎn)業(yè)鏈要實現(xiàn)從大到強，做到世界領(lǐng)先，離不開創(chuàng)新的積累、研發(fā)的投入。龍頭企業(yè)應(yīng)帶領(lǐng)行業(yè)聚焦于高質(zhì)量發(fā)展。通過行業(yè)引導，支撐產(chǎn)業(yè)鏈進一步創(chuàng)新升級。

目前，碳纖維應(yīng)用遵循的標準主要源于國外，國內(nèi)需要獨立制定相關(guān)標準。由中國科學院工程熱物理研究所牽頭，碳纖維、葉片、整機等相關(guān)企業(yè)，正在推進制定碳纖維葉片的行業(yè)標準，涉及原材料、產(chǎn)品、測試驗證等環(huán)節(jié)。

此外，業(yè)內(nèi)專家表示，需要重點關(guān)注碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈的低碳環(huán)保工作，對原材料、輔材、生產(chǎn)過程、產(chǎn)品回收與利用等多方面深入開展研究。其中，碳纖維具有較高的回收價值，已經(jīng)有國內(nèi)外機構(gòu)或企業(yè)在開展此類研究。通過回收技術(shù)，可能會打通碳纖維材料合成的閉環(huán)，即回收材料經(jīng)加工后重新生成碳纖維的原材料，重回產(chǎn)業(yè)鏈。