风能作为一种绿色环保型能源是可再生能源中最具开发潜力的能源之一。风机叶片是风力发电系统的关键动部件,其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素,是风力发电机获得较高风能利用系数和较大经济效益的基础。

过去的风机功率偏小，叶片短，使用传统材料玻璃纤维即可。风电为了降低成本，发展方向是大型化，风机越大，发一度电消耗的原材料就越少，就越节约成本。在这样的趋势下，随着风电技术发展，风机大部分环节需求量是相对变少的。

玻璃纤维&碳纤维材料特点

叶片要在恶劣环境下长周期运行,随着风电机组的大型化发展,如何减小叶片的密度,如何具有最佳的抗疲劳强度和机械性能,成为当前风机叶片领域研究的热点。

玻璃纤维具有可根据风机叶片的受力特点来设计强度与刚度、翼型容易成型、可达到最大的气动效率、疲劳强度较高、抗震性好和耐腐蚀性好等优点,而且玻璃纤维价格便宜,供应量宽松,采用玻璃纤维作为叶片材料的成型工艺成熟。但是随着叶片长度的增加,传统的E-玻璃纤维在强度、刚度和质量等方面显现出不足。

针对大型复合材料风电叶片市场,国内外厂商从提高强度、刚度方面出发,研制生产了各种高性能玻璃纤维。碳纤维复合材料叶片技术的开发与研究顺应叶片大型化和轻量化的方向发展。

碳纤维增强材料的拉伸弹性模量是玻璃纤维增强材料的2~3倍,大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。碳纤维叶片的几何轮廓可以设计得更薄,叶片更细长。同时叶片质量的降低和刚度的增加可以有效改善叶片的空气动力学性能,减少对塔和轮轴的负载,使风机的输出功率更平滑、更均衡,提高了能量效率。

利用碳纤维的导电性还能避免雷击,可以有效地避免雷击对叶片造成损伤。目前已开始根据需要将碳纤维复合材料(CFRP)应用在风机叶片的局部区域。

风电巨头专利已到期

作为风电机组最重要的大部件，风电叶片决定着风电机组的捕风能力。

在风电行业发展之初，风电叶片制造方法主要为预浸料、碳布真空灌注工艺，这种方式不仅成本高，而且效率低。

后来，丹麦风力发电机制造商Vestas采用全新的叶片设计，将风机叶片整体成型的主梁主体受力部分拆解为高效、低成本高质量的拉挤梁片标准件，然后采用相对更经济的大丝束材质，把标准件一次组装、整体成型。在这一工艺中，叶片的碳纤维体积含量大幅提高，因此可以在成本增加不多的情况下，令叶片减重40%的同时使效率提高100%。

自此开始，Vestas便成为了世界风电行业巨头，并引领风电叶片从玻璃纤维进入到碳纤维时代。2002年7月19日，Vestas分别向中国、丹麦等国家知识产权局，欧洲专利局、世界知识产权局等国际性知识产权局申请了以碳纤维条带为主要材料的风力涡轮叶片的相关专利，专利保护期为20年，自此阻断了包括中国在内的全球大部分国家风电厂商的“山寨”可能性。

在此背景下，其他风电厂商若想走在行业前沿，要么花费大量资金使用Vestas的专利，要么就尝试绕过该专利自行设计生产碳纤维风电叶片，但最终的结果是，这两种方法都难以实施。因此诸多风电厂商不得不继续使用传统的玻璃纤维，而这就是我国风电叶片制造难以有革命性发展的主要原因。

这意味着其他风电叶片制造商将可以不受限制地推出应用碳梁的风电叶片产品，碳梁的风电叶片有望加速开启。

国产碳纤维风电叶片将迎来爆发期

中信建投曾预测称，到2025年中国陆上风电碳纤维需求为4.39万吨，海上风电碳纤维需求为1.50万吨，两者合计总需求达5.89万吨，复合增速达27.2%。预计到2025年，中国风电领域碳纤维需求将占全球风电领域碳纤维总需求（8.06万吨）的73.08%。

在此背景下，得益于风电装机的快速增长和对碳纤维需求的增加，从2020年底开始，国内碳纤维材料呈现明显产能紧张情况，碳纤维价格一路上涨。如今已然成为了我国碳纤维风电叶片产品生产和推广的重大制约因素。

国盛证券发布研报称，大面积启用碳纤维叶片的前提是降价，未来无论是海风还是陆风，碳纤维能够全面渗透的前提都是降本，其中最主要是材料降价。目前碳纤维部分品种价格虽然有了降温之势，但整体价格还是处于高位。

对于未来，招商证券研报表示，今后几年全球新增碳纤维产能主要集中在中国，而国内几家碳纤维龙头企业掌握核心生产技术，碳纤维规模效应明显，龙头企业扩产或有助于降低生产成本。这无疑利好国内一众碳纤维风电叶片制造厂商。届时，既没有了专利束缚，碳纤维价格又进一步降低，国产碳纤维风电叶片产品或将迎来爆发期。