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叶片的结构组成主要由芯材、基材、增强材料和表面涂层组成。 生产一片叶片，原材料成本可达70%。 目前，市场上陆上风力发电机的主要材料是玻璃纤维，主梁、壳体、叶根结构均采用比例纤维。 然而，现有的风力发电机已经开始逐渐增加碳纤维在叶片中的应用，碳纤维的引入是为了满足大型风力发电机的需求。 叶片轻量化要求。 下图展示了扇叶的基本结构、扇叶的成本构成以及扇叶各材料的成本占比。
图1 风力机叶片的基本结构
图2 风电叶片成本构成
图3 风电叶片各材料成本占比
随着降低风力发电机生产成本的需要，现有叶片的材料体系正在进行创新。 在风电叶片生产的早期阶段，叶片所用的风电材料相对简单。 基材主要为环氧树脂，增强材料主要为玻璃纤维，芯材主要为轻木。 为了减少叶片对成本的影响，近年来业界出现了多种叶片替代品。 其中PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）部分替代轻木和PU（聚氨酯），受到业界广泛青睐。 ）替代环氧树脂技术。 下图为叶片部件在各行业的常见应用材料。
图4 叶片各部件常用应用材料
2、碳纤维有望解决大型风电叶片需求。
近年公开招标数据统计：2020年，国内新增风电机组平均单机容量为2.66MW，其中2MW及以上机型占主流； 2021年以来，一些新建陆上风电项目开始要求单机容量4MW及以上中标，4MW-5MW机型已成为中标风机的主流。 统计显示，2021年，新增陆上风电项目平均单机容量已超过3MW，较2020年大幅增长； 2022年，陆上风电机组平均单机容量达到4.2MW，部分陆上风电项目已明确要求中标。 风电机组单机容量需要达到5MW-6MW。 从具体项目来看，2022年11月，内蒙古苏尼特左旗发改委甚至宣布，总装机容量7.15MW的超大容量机组创下了最大容量风电机组新纪录。在我国陆地上批量投入使用。 记录。
图5 2012-2022年新增陆上单机产能
图6 部分陆上项目招标单机容量要求
大型风电机组的研发增加了叶片的长度和重量，对比较模量和比强度的要求也随之提高。 加长叶片长度是风力发电机实现高功率的主要手段之一。 据华泰研究院（GWEC）预测，大功率风电机组直径预计将达到200-240m范围，对应单叶片长度约为100-120m。 与此同时，今年5月，东方电气配套13-18MW风电机组的126米超长叶片成功下线，这是目前全球下线最长的叶片。 然而，随着叶片长度的增加，控制叶片的整体刚度变得更加困难。 为了避免扫塔等操作事故，对材料的模量提出了要求。 早期，行业中使用玻璃纤维来增强整体强度和刚度，但目前发展似乎已经到了瓶颈。
图7 各代玻纤材料的拉伸量
图8 风电机组容量及叶片长度发展预测
采用碳纤维主梁的大型风电叶片优势显着。 根据《复合材料在大型风力发电机叶片中的应用与发展》研究（李成良，2022年7月15日，ISSN：1000-3851），碳纤维的模量比玻璃纤维高3-8倍，并且比重降低了30%左右，因此可以同时满足更大、更轻的叶片的需求。 中材科技在2023年3月30日的研究公告中建议，100米以上海风叶片应采用碳玻混合技术路线。 目前，碳纤维已广泛应用于海风叶片的主梁上。 根据Wood的预测，碳纤维拉挤板在陆风和海风主梁材料中的渗透率将逐渐提高。 因此，需要采用碳纤维主梁的大型风电叶片。
3、碳纤维市场产量及价格走势
随着国内碳纤维厂商产能增加，碳纤维价格的下降有望进一步推动其渗透率。 据《2022年全球碳纤维复合材料市场报告》（赛欧科技，2023年3月23日）统计，2022年我国碳纤维原丝及碳纤维运营产能将达11.2万吨，同比增长76.74%。 另外，根据精功科技2023年6月21日调研活动公告中的信息，今年一季度计划新增国内碳纤维产能超过8万吨，长期产能总量接近至18万吨。 国内厂商碳纤维产能的扩张预计将带动碳纤维价格大幅下降，从而进一步提高碳纤维在风电叶片中的渗透率。
图9 全球碳纤维厂商计划产量汇总
图10 碳纤维市场价格走势图
4. 总结
（1）陆上风电机组现已实现平价。 同时，随着沙格黄多批次风电基地的不断开发，未来几年陆上风机发展空间巨大。
（2）市场对新增风电机组单机容量的要求逐渐提高。 叶片作为风力发电机的主要部件，其发展趋势必然是向着尺寸更大、重量更轻的方向发展。 碳纤维材料优越的性能可以解决大型风机的需求。
（3）碳纤维价格的下降为推动碳纤维叶片的发展提供了有利的外部条件。
