玻纤、碳纤等复合材料在风电领域的应用

很多人都知道玻纤和碳纤在风电领域有着广泛应用，但是具体应用在哪里可能不太清楚。今天我们就来谈一谈玻璃纤维、碳纤维、轻木、硬质泡沫（PU、PVC、PET和HPE等）在叶片和机舱罩中的应用。

一、市场份额

在风电行业，玻纤主要被应用于制造风电叶片与机舱罩部分；碳纤维主要应用于大尺寸的叶片和机舱罩；轻木主要用于叶片；硬质泡沫主要用于叶片，少部分用于机舱罩。在整架风机成本中，叶片占风机成本的20%。

图1 玻纤的主要应用领域

图2 2019国内碳纤维需求结构

中国目前已经成为世界规模最大的风电市场。根据中国风能协会的统计，截至2019年底，全国风电累计装机容量为2.1亿千瓦，其中陆上风电累计装机2.04亿千瓦、海上风电累计装机593万千瓦，风电装机占全部发电装机的10.4%。

随着2021 年陆上风电进入平价时代，未来风电需求的增长主要依赖于度电成本的下降，大容量、长叶片、高塔架被认为是降低度电成本的主要手段。1GW 风电叶片需 1万吨玻纤用量，随着风机机型容量越来越大，风机叶片朝着大型化趋势演变，每兆瓦风电叶片所需玻纤、碳纤以及芯材用量增加。

二、增强材料和夹芯材料在风电行业的具体应用

增强材料和夹芯材料在风电行业的应用，主要体现在叶片、机舱罩和轮毂罩上。

1.叶片的材料主要成分

图3 叶片内部结构图

（1）外壳：风机叶片的两个半壳，通常具有较复杂的空气动力学造型。

蒙皮主要采用玻璃纤维（单轴向和双轴缝编织物）增强环氧树脂，提供气动外形并承担大部分剪切载荷。后缘空腔较宽，采用夹芯结构（芯材有轻木和硬质泡沫），提高其抗失稳能力。主梁主要为单向复合材料层增强（大尺寸的叶片基本上都是采用碳纤维增强环氧树脂），是叶片的主要承载结构。

（2）腹板：又叫内部梁，玻璃纤维（或少部分使用碳纤）+夹芯材料增强环氧树脂制备而成的夹芯结构，主要用于支撑叶片外壳，并承担叶片所受到的弯曲载荷，腹板常采用工字梁结构以减轻重量。

（3）梁帽：用于连接腹板和叶片外壳，主要使用玻璃纤维布和碳纤维布。

（4）挡雨环：安装于叶根处，用于防止雨水流入风机

（5）人孔盖：用于连接叶片与风机主轴

（6）避雷系统：由于风机较为高大且处于空旷地带，而雷击也是造成风机损坏的一大原因，因此避雷对于风机非常重要。

 图4 叶片的重要区域 

2.机舱罩的材料主要成分

机舱罩内放置风电机器设备，主要保护驱动部件不至于暴露于外部气候条件，减低气动声辐射，为维护人员维修期间提供安全保障。

图5 机舱罩的结构及制备示意图

机舱罩主要使用玻璃纤维布（双轴向，夹芯缝编毡）和硬质泡沫，有些大型的机舱罩也使用碳纤维双轴织物，树脂主要是不饱和聚酯树脂。

3.轮毂罩的材料主要成分

轮毂罩，指风机轮毂的外保护罩。由于在风机迎风状态下，气流会依照导流罩的流线型均匀分流，故称导流罩。也称为轮毂罩、轮毂帽等。

轮毂罩的结构一般分为整体型导流罩、分体型导流罩两大类。常见的分体型导流罩是由3个1/3罩体部件和一个罩头部件用机械连接的方法拼合而成。

图6 机舱罩和轮毂罩的内部结构及机器布置图

国内的导流罩主要是玻璃钢导流罩，主要采用玻璃纤维缝编织物和毡，采用不饱和聚酯树脂，采用真空导入模塑(VARTM)、LightRTM、手糊成型的方法成型制造。

三、玻纤、碳纤以及芯材在风电行业的前景

政策是我国风电产业发展的驱动力，同时也是导致市场供需关系变化的根本原因。

2020年12月，国家主席习近平在气候雄心峰会上提到：到 2030年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比 2005年下降 65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到 25%左右，森林蓄积量将比 2005年增加 60亿立方米，风电、太阳能发电总装机容量将达到 12亿千瓦以上。 

2019年 5月，国家发改委下发《关于完善风电上网电价政策的通知》，再次调低风电上网电价，并首次明确陆上风电平价，2020年底以后陆上风电补贴取消。2019-2020 年风机设备抢装进入高潮，预计 2020年新增风电装机同比增长 20%以上。

风电用玻纤纱、碳纤以及轻木和硬质泡沫需求都因此紧俏，自 2019 年底，玻纤企业纷纷对产品结构进行调整，加大对风电用玻纤纱的生产。

2021年底以后海上风电补贴将取消，海上风机设备也将进入抢装高峰期。由于 2020年疫情影响，部分风电项目建成时间延迟，预计 2021年风电行业高景气度将会持续，但是不会像2020年那样急速，风机装机量将会慢慢趋于平缓。