風(fēng)電產(chǎn)業(yè)：復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的中流砥柱
作為復(fù)合材料重要的終端市場(chǎng)，風(fēng)電是當(dāng)前碳纖維最大下游需求來(lái)源。風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展直接影響復(fù)合材料行業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模，進(jìn)而影響企業(yè)收入規(guī)模。
風(fēng)電葉片主要由樹(shù)脂基體（36%）、增強(qiáng)材料（28%）、芯材（12%）、粘接劑（11%）等組成，樹(shù)脂基體主要提供葉片的韌性與耐久度，增強(qiáng)纖維材料則主要提供葉片結(jié)構(gòu)的剛度與強(qiáng)度。
復(fù)合材料在比強(qiáng)度、比模量上具有技術(shù)材料無(wú)可比擬的優(yōu)越性，因此成為目前大型風(fēng)力發(fā)電葉片的首選材料。復(fù)合材料在整個(gè)風(fēng)電葉片中的重量一般占到90%以上。其中承力結(jié)構(gòu)由玻璃纖維或碳纖維復(fù)合材料組成，賦予結(jié)構(gòu)較強(qiáng)的力學(xué)性能。復(fù)合材料葉片一般由根部、外殼和加強(qiáng)筋或梁三部分組成，與同級(jí)別高模玻纖主梁相比，采用碳纖維可實(shí)現(xiàn)減重20-30%。以122m長(zhǎng)葉片為例，葉片重量的減輕可以大幅降低因自重傳遞到主機(jī)上的載荷，進(jìn)而可以減少輪轂、機(jī)艙、塔架和樁基等結(jié)構(gòu)部件15%～20%的重量，有效降低風(fēng)機(jī)10%以上的整體成本。
風(fēng)電葉片迎風(fēng)面碳纖維主梁
第一批大規(guī)模的商業(yè)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)包括額定功率為1 MW或更小的渦輪機(jī)，通常配有玻璃纖維增強(qiáng)葉片，長(zhǎng)度通常在10至15米之間。如今，海上渦輪機(jī)的額定功率通常為6至9MW，葉片長(zhǎng)65-80米，并且越來(lái)越長(zhǎng)，例如2021年維斯塔斯（丹麥Vestas）推出的15MW、115米長(zhǎng)的V236-15.0兆瓦海上風(fēng)機(jī)葉片。
風(fēng)電碳纖維主梁與葉片長(zhǎng)度的關(guān)系
此外，在海上風(fēng)電領(lǐng)域，許多開(kāi)發(fā)工作都與浮動(dòng)海上風(fēng)電平臺(tái)有關(guān)。漂浮在水面上的平臺(tái)使風(fēng)能開(kāi)發(fā)比許多安裝在淺水的固定基礎(chǔ)渦輪機(jī)更靠近海岸。在不同的開(kāi)發(fā)階段有許多不同的浮動(dòng)平臺(tái)概念，其中許多使用復(fù)合材料。
復(fù)合材料TC接頭取代了海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用中傳統(tǒng)的導(dǎo)管架基礎(chǔ)接頭
在過(guò)去幾年中，除了堆放在垃圾填埋場(chǎng)之外，如何在其壽命終期（end of life ，EOL）處理退役的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片也一直是風(fēng)能公司關(guān)注的焦點(diǎn)。風(fēng)電葉片供應(yīng)鏈上的公司正在開(kāi)發(fā)許多解決方案。
例如，2021年，西門(mén)子Gamesa率先將其可回收葉片推向海上風(fēng)電市場(chǎng)，并于2022年7月在德國(guó)安裝了首批葉片。2022年，該公司還為陸上風(fēng)電項(xiàng)目推出了新的可回收葉片版本Recyclable Blade?？苫厥杖~片采用環(huán)氧樹(shù)脂和Aditya Birla的可回收胺固化劑制成，使樹(shù)脂在葉片的EOL時(shí)更容易與纖維分離。
目前海上風(fēng)電的發(fā)展，需要更長(zhǎng)葉片、更大功率的風(fēng)機(jī)，對(duì)碳纖維的需求也就更高，而海上風(fēng)電的特殊性，使碳纖維在海上風(fēng)電中應(yīng)用的潛在機(jī)會(huì)更多。
我國(guó)風(fēng)電連續(xù)多年新增機(jī)居全球首位，全球第一風(fēng)電大國(guó)，也是全球最大的風(fēng)電零部件制造供應(yīng)鏈基地。超大型風(fēng)電光伏基地、海上風(fēng)電和低速風(fēng)電開(kāi)發(fā)持續(xù)發(fā)展中，伴隨著這些發(fā)展方向，像整套風(fēng)電機(jī)組、海上升壓站、海底電纜、運(yùn)輸?shù)跹b設(shè)備和大型化的葉片、齒輪箱等也會(huì)跟著發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片正朝著大型化方向發(fā)展，這對(duì)材料的比強(qiáng)度、比剛度和耐疲勞性提出了更高的要求。
從工藝上看，碳纖維復(fù)合材料主梁的成型工藝主要有碳纖維織物真空灌注、預(yù)浸料成型、拉擠工藝3種。其中前兩者在葉片中應(yīng)用較早，技術(shù)成熟，但隨著葉片大型化對(duì)重量要求提高，拉擠工藝逐漸成為主流。
復(fù)合材料為光伏設(shè)備帶來(lái)新的曙光
光伏作為新能源發(fā)電的最佳選擇之一，是未來(lái)最具確定性的產(chǎn)業(yè)賽道。碳纖維在光伏中應(yīng)用在這幾年異軍突起，這得益于光伏領(lǐng)域?qū)Υ蟪叽鐭釄?chǎng)的要求。傳統(tǒng)的石墨材料無(wú)法滿足大尺寸坩堝的強(qiáng)度要求，碳碳復(fù)合材料成了主流。
碳-碳復(fù)合材料是碳纖維及其織物增強(qiáng)的碳基體復(fù)合材料。具有低密度(<2.0g/cm³)、高強(qiáng)度、高比模量、高導(dǎo)熱性、低膨脹系數(shù)、摩擦性能好，以及抗熱沖擊性能好、尺寸穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，是如今在1650℃以上應(yīng)用的少數(shù)備選材料，最高理論溫度更高達(dá)2600℃，因此被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的高溫材料之一。
光伏產(chǎn)業(yè)中所使用的碳-碳復(fù)合材料主要是用于制造坩堝，作為熔煉多晶硅或單晶硅的器皿，在氫化爐熱場(chǎng)、直拉單晶熱場(chǎng)、多晶鑄錠爐熱場(chǎng)、太陽(yáng)能電池鍍膜等工藝作為關(guān)鍵設(shè)備。以往此類(lèi)?ài)釄逯饕酶呒兪圃?，但高純石墨為?guó)外控制，而且隨著拉硅單晶爐和多晶鑄錠爐生產(chǎn)設(shè)備的大型化，石墨材料難以滿足。碳碳復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性和良好的熱物理性能,和石墨熱場(chǎng)材料相比，具有非常大的優(yōu)勢(shì)。
光伏產(chǎn)業(yè)中使用的碳碳復(fù)合材料坩堝
此外，碳纖維輥可以用于光伏膜的生產(chǎn)、分切中。傳統(tǒng)的金屬輥筒，自身重量大，機(jī)器啟動(dòng)速度慢，慣性大，不僅耗能多、原料損耗大，對(duì)生產(chǎn)效率也產(chǎn)生一定的影響。而碳纖維輥具備輕量化、不易磨損、壓力均勻、易調(diào)節(jié)、高精度等優(yōu)點(diǎn)。
光伏行業(yè)中的碳纖維刮膠片和用于光伏膜生產(chǎn)的碳纖維輥
在光伏電池組件中，玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合材料邊框，擁有優(yōu)秀的材料性能。同時(shí)，作為一種非金屬材料解決方案，玻璃纖維聚氨酯復(fù)合材料邊框還擁有金屬邊框所不具備的優(yōu)勢(shì)，可以為光伏組件制造商帶來(lái)明顯的降本增效。玻璃纖維聚氨酯復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)異，其軸向拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鋁合金材料。同時(shí)，其還具有很強(qiáng)的耐鹽霧和耐化學(xué)腐蝕性能。
光伏組件采用非金屬邊框封裝后，大大降低了形成漏電回路的可能性，有助于減少PID電勢(shì)誘導(dǎo)衰減現(xiàn)象的產(chǎn)生。PID效應(yīng)的危害使得電池組件的功率衰減，減少發(fā)電量。因此，減少PID現(xiàn)象可以提高電池板的發(fā)電效率。
光伏的支架，也正從傳統(tǒng)的金屬材料慢慢轉(zhuǎn)向復(fù)合材料，玻纖增強(qiáng)復(fù)材光伏支架多應(yīng)用于地域空曠、環(huán)境惡劣的戶外，常年經(jīng)受高低溫、風(fēng)、雨、強(qiáng)日照的影響，在實(shí)際運(yùn)行中面臨的是諸多因素共同影響下的老化，其老化速度更快，而在復(fù)合材料諸多老化研究中，目前大多研究的是單一因素下的老化評(píng)估，因此開(kāi)展支架材料多因子老化試驗(yàn)，評(píng)估老化性能，對(duì)光伏系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要意義。
支架的增強(qiáng)材料除了玻璃纖維，也有很多企業(yè)選擇了高強(qiáng)耐腐蝕性能好、耐侯性能更好的玄武巖纖維。例如，2022年10月，濰坊中創(chuàng)新材料科技有限公司宣布成功開(kāi)發(fā)出國(guó)內(nèi)首臺(tái)玄武巖纖維光伏支架。
2023年3月5日，北京連續(xù)玄武巖纖維科技有限公司與中能華安大數(shù)據(jù)有限公司就玄武巖纖維光伏支架生產(chǎn)供應(yīng)訂單簽署合作協(xié)議。
在其他可再生能源技術(shù)中的應(yīng)用
還有其他可再生能源部門(mén)也采用復(fù)合材料。例如，一種有前途的海洋能源技術(shù)是波浪能轉(zhuǎn)換器（wave energy converters，WEC），它可以利用海浪運(yùn)動(dòng)來(lái)發(fā)電。2021，瑞典CorPower Ocean公司建造了第一個(gè)全尺寸的纖維纏繞玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）浮標(biāo)狀WEC的原型，該公司希望到2025年將其擴(kuò)大為工業(yè)規(guī)模的海洋能源農(nóng)場(chǎng)。截至2022年10月，該公司已成功對(duì)許多系統(tǒng)部件進(jìn)行了干態(tài)測(cè)試，并于2022年11月前將其第一個(gè)原型安裝在海上進(jìn)行水中測(cè)試。
