碳纤维一直是高科技的代名词,就像芯片一样,美日等国的高端碳纤维科技是禁止向中国出口的。碳纤维同样是昂贵和高端的代名词,传统上碳纤维都是应用到航空航天和高端体育用品上的,相应的产品也都价格高昂。但是如果问你,当下世界上哪个行业应用碳纤维最多,你恐怕不一定能想到居然是风电产业;对价格远比航空航天敏感得多的风电产业,为什么舍得使用高大上的碳纤维材料呢?今天我们就来聊聊这个话题。
1、碳纤维虽然是昂贵的新材料,但是经过多年的发展,碳纤维产业衍生出了一个低成本、高生产效率的新领域,大丝束碳纤维。以前航空航天使用的碳纤维只有几千根纤维丝,被称为小丝束碳纤维,随着生产技术的越来越熟练,人类掌握了几万根纤维一起碳化的技术,一般把24000根以上纤维构成的碳纤维叫做大丝束碳纤维,目前主流的大丝束碳纤维是48000根左右。这种大丝束碳纤维,生产效率高、生产成本低,是降低碳纤维价格的主力军。
2、风电行业选用的就是这种大丝束碳纤维,从单价上看,风电用碳纤维每千克的价格还不到航空航天用碳纤维的四分之一,大概是18.5美元一公斤,也就是130多元一公斤。这个价格说起来其实也是不便宜的,至少是玻璃纤维的几倍,就算制造成叶片的其他成本差不多,这个价格差异也是非常显著的。所以,绝大多数碳纤维风力发电扇叶都是国外公司生产的,引领者是美国的维斯塔斯公司,中国公司更愿意生产物美价廉的玻璃纤维复合材料扇叶。
3、然而随着风电技术的发展,小扇叶小功率的发电机将逐步被淘汰,未来的趋势是大扇叶大功率的风力发电机。对于风力发电机来说,扇叶越长,发电效率越高,发电成本越低。最早的大型风力发电机,发电功率不到1MW,也就是1000千瓦以下,扇叶只有10-15米。随着技术的不断提高,发电功率越来越高,从2MW已经逐步发展到了陆上风力发电平均3MW以上,海上风力发电平均6-7MW的水平,风扇扇叶从三四十米到七八十米。为了追求更高的发电效率,现在已经开发出了扇叶在100米以上,发电功率在10MW以上的风力发电机。
4、大扇叶,不仅可以带来更高的功率,同时也让风的利用效率更高了。风力过低的话,风力发电机是无法工作的。但一般来说高度越高,风力越大。增加扇叶长度和风力发电机的高度,可以在地面风力很低的状态下依然正常发电,大大提高风的利用效率,从而提高风力发电机的效率。大扇叶的风力发电机,可以在小功率发电机无法工作的风力条件下依然正常工作。同时这样的发电机,就算在传统不适合建设风力发电站的低风力地区也可以建设风力发电站。
5、然而随着扇叶长度的不断增加,扇叶本身的重量却增加更快,给风力发电机的建设带来了难以承受的重量,显然扇叶的长度不能无限增加下去。好在,人类发现利用结构强度更大、质量更小的碳纤维复合材料可以突破传统玻璃纤维复合材料的极限,让风力发电机更大下去。
6、中国已经研发出了120多米的风扇扇叶,这样的扇叶用碳纤维复合材料制造相对于玻璃纤维复合材料可以降低重量20-30%。几十吨一个的叶片,如果降低20-30%的重量,三个叶片节省下来是非常可观的。对于发电机的建造来说,轮毂、机箱、塔架、桩基等等部件都可以降低要求,减少生产成本。同时,由于碳纤维强度更高,抗变形的能力更强,风机运转更加平稳,发电效率也能适当提升。更关键的是,碳纤维性能稳定,寿命长,可以降低风力发电机的维护成本,延长风力发电机的寿命,综合计算下来,使用碳纤维复合材料生产风机扇叶综合成本不一定更高。
1)虽然随着技术水平的不断提高,玻璃纤维复合材料的综合性能也越来越高,玻璃纤维复合材料也可以制造百米水平的大扇叶了。但是,总体来看,扇叶长度越大,碳纤维复合材料制造的扇叶占比越多,其中70米以上的扇叶有一半以上都是碳纤维复合材料制造的,以后这个比例只会越来越大。国内企业不应该死抱着玻璃纤维不撒手,错失碳纤维扇叶发展的黄金期。
2)至于为啥中国风电企业一直不生产碳纤维复合材料扇叶,除了碳纤维材料本身比较贵以外,生产工艺上的差距也让中国企业难以换道。世界上最大的碳纤维复合材料风力发电扇叶生产企业维斯塔斯公司发明了最高效的生产工艺,把拉挤板工艺应用到碳纤维复合材料上,并发明了应用这种材料的风电主梁专利。这项技术一下子跳出了传统航空航天用碳纤维复合材料加工生产的复杂、低效、高成本流程,把碳纤维复合材料的生产效率大大提高,生产成本明显降低。但是这样高效的技术,中国的风电企业是不能用的,因为人家有全球专利。
3)这项专利直到2022年7月19日才过期,在这之前,中国企业是不愿意涉足这个领域的。但是以后就不一样了,专利过期,中国企业可以节省一大笔专利费,也可以享受碳纤维复合材料生产风机扇叶的红利了。
4)当然,还有一个很重要的原因,那就是中国国产的大丝束碳纤维复合材料,成本更高、性能没有经过严格考验、同时产量还比较低。在这样的背景下,国内没有充足的原材料供应,必须通过进口才能满足需求,也是中国企业不愿意大规模切换到碳纤维复合材料的重要原因。
5)值得一提的是,按2022年行情,国产大丝束碳纤维的价格甚至比进口的价格还高,这主要是因为技术不成熟,生产成本高造成的。碳纤维这个产业,可不是说你工人工资低、产量高就能实现成本低的。这个产业跟芯片产业一样,降低成本主要通过技术改进,而不是通过盲目扩大生产和降低人工成本。随着中国一众碳纤维生产企业在行业内站稳脚跟,不断加大研发投入,不断改进生产工艺,提高生产效率,国产碳纤维的价格肯定是会越来越低的,未来低于进口产品是没有太大问题的。
7、下面咱们呼应一下题目,为啥说中国碳纤维产业迎来了新风口呢?因为中国是世界上发展风力发电最快的国家,风力发电的总电力世界第一,未来规划的风力发电规模也是世界上最大的。以前中国的风力发电扇叶是以玻璃纤维复合材料为主要原料的,未来肯定会逐步切换到碳纤维复合材料上来。尤其是未来规划的风力发电机往往都是大功率、大扇叶的,碳纤维复合材料的综合优势比较强;还有一点需要补充,那就是由于风扇扇叶是有使用寿命的,中国前期发展的风力发电机已经开始陆续退役淘汰了,以后每年退役的风扇扇叶会越来越多,这些淘汰的产能,肯定需要新技术弥补上来,这也是将来发展碳纤维复合材料扇叶的机会。
8、以前受专利和原材料产能的影响,中国风电企业很难下定决心大力发展碳纤维复合材料扇叶。以后不一样了,不仅仅是专利过期了,更重要的是,中国开始大力发展碳纤维产业。2022年中国的碳纤维产量已经是世界第一了,未来规划的碳纤维产能尤其是低成本大丝束碳纤维的产能也居于世界前列。随着大量国产碳纤维的投产上市,国内扇叶生产企业不必再担心原材料供应问题了,将来一定可以形成一个良性的循环。
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