大絲束碳纖維成本驟降，工藝提升，產能擴張，支撐起葉片大型化、輕量化、高可靠性的需求。碳纖維葉片應用的奇點已經來臨。

碳纖維，一種高性能無機高分子纖維材料，含碳量超過90%，以其超輕、超強、耐腐蝕的特性，被譽為“新材料之王”。其比重不到鋼的1/4，強度卻是鋼的7~9倍，這使得它在風電葉片制造中具有得天獨厚的優勢。然而，長期以來，由于碳纖維制造工藝復雜，價格“高攀不起”，國內只有少量試驗風電機組采用了碳纖維葉片。

如今，隨著工藝的技術進步、制造設備的國產化，企業主動讓利等市場行為，碳纖維價格已由1年多前的130萬元/噸，降為70萬元/噸左右，產品性能高于國際水平的3%~5%。

2023年，全球風電市場的碳纖維用量高達2.5萬~3萬噸。在國內，碳纖維用量從微乎其微猛增至6000噸。未來，隨著風電機組持續向大型化邁進，應用場景不斷豐富，風電領域的碳纖維用量在全部碳纖維用量中的占比將超過30%。風電葉片大規模使用碳纖維的奇點已經來臨。

碳纖維完美解決玻璃纖維的不足

近幾年，風電機組的單機容量迅速提升，葉片的長度、重量紀錄不斷被打破。陸上風電機組葉片最長已達130米，海上風電機組葉片接近150米。長葉片對材料的強度和剛度提出了更加苛刻的要求，高模量玻璃纖維的性能已經觸及“天花板”，無法滿足葉片大型化、輕量化的要求。

同時，自2021年以來，與長葉片相關的安全質量事故呈高發態勢。據不完全統計，在各類事故中，葉片失效占比接近40%。其中，除設計缺陷、掃塔、外力損傷外，質量問題的占比最大。

“由于降本導致的產品更新迭代太快，整體的設計更加激進，超長葉片的設計安全邊界越來越小，沒有更高的安全裕量來保證額外的安全性，又未進行充分驗證，質量控制不達標，尺寸效應導致了一些設計盲區，常規方法考慮不到的失效和損傷也越來越多。”鑒衡認證中心風能事業部葉片認證部葉片技術帶頭人路緒恒向《風能》透露。

長柔葉片帶來的可靠性問題日益凸顯。“為了滿足凈空的要求，葉片必須具有足夠的剛度，葉片設計工程師不得不通過增加主梁玻璃纖維的用量，甚至犧牲氣動效率來提升葉片剛度，而重量增大會導致葉片出現共振、扭轉等問題，進一步增加安全風險。”一位業內人士向《風能》透露。大葉輪機組的葉片斷裂后，會導致巨大的不平衡力，疊加塔架輕量化設計，容易發生倒塔。因此，解決好葉片問題，會極大提升地風電機組的質量和可靠性。

此外，從壽命角度考慮，在越來越多的風電項目中，業主會要求風電機組運行25~30年，復合材料的可靠性對于保障風電機組長期安全運行至關重要，材料創新及革命性替代迫在眉睫。

以碳纖維復合材料為主梁的葉片，恰好完美地解決了玻璃纖維存在的不足與缺陷。

從材料性能看，碳纖維比玻璃纖維具有更低的密度（低30%左右）、更高的強度（0°拉伸強度可提高35%）、更高的模量（是玻璃纖維的2.5~3倍），以及更優異的抗疲勞性能。碳纖維耐高溫、抗腐蝕、膨脹系數小，在沙戈荒和惡劣的海洋環境中能夠延長葉片的使用壽命。

由于具有比強度與比剛度的優勢，碳纖維可以幫助實現葉片的輕量化，并且在一定范圍內，越長的葉片，其輕量化效果越好。根據行業測算，通過應用碳纖維，120米級風電葉片可減重25%~35%。

“碳纖維葉片還可以較好地解決長柔葉片的穩定性問題，增強葉片的結構剛度，減輕氣動外形對結構剛度的限制，使葉片能夠以更加細長而薄的外形進行設計，相當于把超過100米葉片柔性的程度又拉回80米級別的水平，能夠實現更高的葉尖速比，從而在提升發電效率的同時，有效降低載荷。此外，細長的外形設計減少了葉片表面積，有助于減少材料的使用，實現結構的輕量化。”上海電氣風電集團股份有限公司葉片設計所所長兼葉片專業總工程師李文科表示。

碳纖維葉片重量輕，載荷降低，會給整機降本帶來意想不到的優勢。輪轂、軸承、變槳、塔架、發電機、齒輪箱、螺栓等都會受益于碳纖維材料的應用；葉片的絕對厚度降低，提高了生產的可制造性；葉根節圓變小，便于運輸和吊裝，進而降低成本和風險。在同等重量的情況下，應用碳纖維材料可以增大風電機組的單機容量，進而節約用地、用海面積，提高資源利用率。

雖然使用碳纖維材料會增加成本，但綜合整機和全生命周期的成本進行核算，碳纖維在長葉片中的應用仍具有很高的競爭力。可以說，碳纖維材料為風電行業提供了一個相對完美的解決途徑。

實現纖維增強復合材料嵌入過程的工藝路線主要包括預浸料成型、灌注成型、拉擠成型三種。2015年后，維斯塔斯開發出碳纖維拉擠工藝制作的葉片主梁，開始在風電領域大規模應用。拉擠板結構能夠系統性地發揮碳纖維材料的力學性能，其制造工藝簡單，質量穩定，性價比最高，已成為長葉片最可行的應用路線。目前，10MW以上機型、長度超過90米的風電葉片主梁基本都采用碳纖維拉擠板工藝。

制造廠商主動打破僵局

一年多來，碳纖維的價格已經從“高不可攀”變得“平易近人”，這是如何做到的？

事實上，碳纖維的生產流程復雜，對設備和技術要求極高。制備過程眾多控制點相應的參數積累往往需要數年，配方、工藝和工程壁壘難度逐級增加，突破期合計需要超過10年。其產線的投資門檻高，公開資料顯示，萬噸投資額普遍在20億元以上，且投資回報率低，投資回報期通常超過10年。這些因素導致碳纖維的價格一直居高不下。

在國際上，近幾年，大兆瓦風電葉片的主梁主要使用碳纖維材料。而在國內，受招標時將單位兆瓦的建設成本作為主要衡量因素的影響，葉片企業用不起碳纖維，導致其很難實現大規模市場化應用。

一邊是碳纖維企業基于成本和規模考慮無法自降身價，一邊是葉片或整機生產制造企業面對質量好但用不起碳纖維的翹首以盼、夢寐以求。對此，如何打破國內市場的僵局？

吉林化纖集團有限責任公司（下稱“吉林化纖”）副總經理岳福升向《風能》介紹：“我們通過采取綜合性降成本措施，主動將碳纖維價格降到國內風電企業用得起得的價格區間。首先是技術降本，采用獨特的濕法成型等專業技術，優化配方，實現規模化量產。二是實施顛覆性工藝流程再造，實現關鍵設備國產化。為此，我們整合了原來的研發工廠，收購了一家設備企業，將專利技術、工藝流程融合進來，起到了很大作用。三是從原材料和應用綠色能源方面降低成本。四是向產業布局和管理要效益。最后經過核算，實現成本的大幅下降。”

在市場策略上，吉林化纖采取了“放水養魚”，實現“水多魚多”循環的舉措。岳福升表示，“我們先將未來可能實現的成本價格交給行業，通過行業的放量，進一步降低成本，促進規模化生產。即先讓利于下游的應用端，再通過應用端的產業拉動，分攤成本，進一步促使成本下降。這意味著我們需要放棄初始的利潤，把產業當成自己的一部分去培育，最后形成正向循環。”

國內碳纖維廠商擴產的加速，帶動碳纖維的價格走低。當前，國內碳纖維拉擠板產線已超過300條，產能突破4萬噸。吉林化纖則以質量和規模搶占先機，占據國內風電葉片碳纖維拉擠板、原絲90%的市場份額。

碳纖維能夠平替玻璃纖維嗎？

為什么在90~120米風電葉片中，部分整機商仍堅持使用玻璃纖維作為主梁？這主要是出于價格方面的考慮。玻璃纖維拉擠板的價格在15元/千克左右，碳纖維拉擠板的價格是其5倍。單支玻璃纖維葉片比碳纖維葉片可以節省20萬~50萬元，單臺風電機組則相差60萬~150萬元。陸上風電百米級葉片通常只在PS面（壓力面）的主梁中使用碳纖維材料。

超高模量玻璃纖維的拉伸模量可以達到100GPa，同時兼有成本優勢。若能夠實現量產，其在風電行業中仍將扮演重要角色。然而，當葉片超過一定尺寸后，尤其是對于100米以上的葉片，應用碳纖維的優勢將顯現。因此，在追求更長葉片的海上風電領域，碳纖維的應用必將持續增加。這幾乎成為行業的共識。

價格持續下降后，碳纖維就可以替代玻璃纖維嗎？有專家認為，單純從價格上來說，碳纖維的成本需要降到30元/千克，才能平替玻璃纖維。但這只是一種理論上的簡單比較，實際上兩者不是一種材料，就技術原理、能耗、材料的獲取難度及工藝而言，都不在一個可以對比的序列中。

在岳福升看來，面對碳纖維造成的成本上升，應從采用碳纖維帶來的部件和整機全生命周期的優化來考慮其性價比。通過提升發電量，可以平衡在葉片中應用碳纖維材料帶來的成本增加。據了解，對于同等長度的葉片，相比玻璃纖維葉片，采用碳纖維能夠將風電機組的年發電量提高4~5%。

岳福升向《風能》表示：“我們和整機商、業主進行多輪充分溝通。目前，行業內形成了共識，認為低價競標不可持續，并逐漸深刻地認識到產品品質的重要性，會對成本進行綜合考量。已經有業主在陸上風電項目中嘗試或推廣碳纖維葉片，有企業在招標書上明確要求使用碳纖維作為葉片的主梁。”

他透露，未來，招標文件中對風電項目的質量安全有可能實行終身追責制，這將對過去簡單的招標方式產生重大影響。對技術人員、總工、項目負責人來說，如果不能保障風電機組安全穩定運行，將對個人和企業產生很大風險。這對碳纖維的應用來說，是一個重大利好。

碳纖維需要克服短板與局限

如同硬幣的兩面，碳纖維同樣存在短板和不足。

碳纖維按纖維數量可分為小絲束、大絲束。用于風電葉片上的為大于48K（1K代表1000根絲）的大絲束碳纖維。目前，大絲束低成本碳纖維的應用工藝逐漸成熟，模量達到了150GPa。經過不斷摸索，碳纖維的含量穩定在60%~68%較為理想。

從材料級測試結果來看，碳纖維制品強度和模量的CV值(衡量其性能穩定性的重要指標)仍然存在改善空間。在設計應用方面，壓縮強度是最大短板，拉伸強度相對存在富裕，因此需要重點改善拉壓性能的匹配程度。

“碳纖維拉擠板的規模化應用，亟須提升性價比。其中,性能的提升并不在于把碳纖維的模量做得越高越好，雖然模量的增加可以減少碳纖維的用量，但碳纖維葉片往往是強度驅動，因此更需要關注壓縮失效應變(強度和模量的比值)。”中材科技風電葉片股份有限公司技術總監魯曉鋒表示。

碳纖維在運輸、保存和使用過程中，對于環境溫度、濕度的要求高；碳纖維具有導電性，需要設計專門的避雷系統。同時，由于電磁感應現象累積電荷，碳纖維主梁必須導通以均布電勢，并接地。

碳纖維具有導電性能，這有弊也有利。比如通過在葉片前緣葉尖外表面鋪覆碳纖維，通過電流加熱，可有效去除葉片表面覆冰，確保風電機組在冬季結冰期的安全可靠運行。株洲時代新材料科技股份有限公司（下稱“時代新材”）已有100多套樣機，利用碳纖維導電性能除冰，實踐效果良好。

碳纖維拉擠板在從拉擠到鋪設的施工過程中，還有一些缺陷需要克服。例如，碳纖維拉擠板之間采用純碳織物，易出現干紗及浸入不良，導致力學性能差，承載能力弱。針對于此，需要提升拉擠板層間剪切性能，可更改層間織物類型，采用碳玻混編雙軸織物或純玻雙軸織物。碳纖維拉擠板多為平面直線形，與葉片殼體曲面隨形貼合可能存在間隙，當主梁與殼體一體灌注成型時，極有可能發生富樹脂缺陷，造成應力破壞，導致葉片整體可靠性下降。此時，可使用預制手段，并在灌注后進行無損檢測。

此外，玻璃纖維是透明的，而碳纖維是不透明的，后者的產品內部缺陷檢測難度較大。不過，采用相控陣超聲檢測技術，可實現碳纖維復合材料的無損探傷檢測。

材料的進步給葉片設計和制造提供了更大的選擇空間，但任何一項新的設計方法、新材料和新生產工藝的引入都會增加葉片安全的不確定性，需要重新進行設計和優化。金風科技股份有限公司研發中心葉片開發部部長李權舟表示，需要全產業鏈協同，助力碳纖維葉片的可持續發展：氣動-結構-材料聯合開發應用，可挖掘兩面碳、三面碳最佳組合；防雷設計需結合仿真-測試-風電場運維不斷迭代更新，并在生產-運輸-運維全鏈條應用跟進和優化，確保使用安全；從整機綜合成本角度評估采用碳纖維葉片的成本優劣，推動以輕量化碳纖維葉片為核心，進行整機設計，并實現從材料、部件、整機到風電場全鏈條測試驗證及保障。

從測試驗證角度看，為保障材料性能，需要從原材料、部件級到葉片全尺寸進行力學性能測試，全面評估碳纖維葉片可靠性。考慮碳纖維生產時工藝和性能的穩定性，要加大抽樣頻率，進行材料性能的復測，部件級的拉擠板層間性能研究尤為重要。除了常規的地面測試外，整機載荷測試可進一步驗證葉片仿真-測試及現場驗證一致性過程，確保系統可靠性，而這需要更多的經驗和技術積累。

此外，時代新材風電產品事業部總工程師馮學斌強調，在單個產品達到質量與性能穩定要求的基礎上，能否在批量生產、工程化過程中很好地控制葉片的質量，是未來應用過程中需要特別關注的。

需加強產業鏈協同與標準制定

在積極的政策支持下，風電行業將保持高速發展。隨著風電機組風輪直徑的不斷增大，碳纖維價格的降低，碳纖維葉片的應用將日益廣泛。國內大絲束碳纖維的市場用量將進一步擴大，預計今年會超過1萬噸。未來一段時間，大絲束碳纖維價格將維持70元/千克左右。除“三北”、海上風電市場外，在中東南低風速地區，為解決發電量較低的問題，也將會產生一定的碳纖維葉片需求。有機構預計到2025年，國內風電領域的碳纖維用量會達到2.7萬噸。

擴大碳纖維在風電上的應用場景，可以為行業帶來更多想象空間。例如，推動碳纖維在陸上風電110米以上超長柔葉片中的應用；老舊風電機組采用碳纖維葉片進行定制化升級，替換舊葉片。未來，隨著碳纖維產量的進一步增加，以及碳纖維、碳纖維織物或拉擠工藝成本的降低，業內人士預測碳纖維或將應用于葉片殼體中，這樣可進一步有效地提高葉片的剛度，降低應變，增加扭轉剛度。當然，全碳葉片的防雷系統，需要全方位加強。

提升碳纖維等原材料及長葉片產品的性能、質量和良品率，形成批量化生產能力，針對風電應用場景，不斷降本增效，是圍繞碳纖維進行全鏈條迭代升級的整體目標。推廣碳纖維的應用，需要全產業鏈上下游協同，通過持續的技術創新，共同努力解決產業鏈面臨的挑戰。馮學斌建議，碳纖維企業應避免過度重復建設，更多關注從技術上開發低成本碳纖維；葉片和整機生產制造企業需加強聯合設計，從整體出發，開發高性價比、高可靠性的風電機組；業主方應改變唯價格的招標方式，更多地考慮技術附加值帶來的經濟收益。碳纖維生產廠商呼吁，風電產業鏈要實現從大到強，做到世界領先，離不開創新的積累、研發的投入。龍頭企業應帶領行業聚焦于高質量發展。通過行業引導，支撐產業鏈進一步創新升級。

目前，碳纖維應用遵循的標準主要源于國外，國內需要獨立制定相關標準。由中國科學院工程熱物理研究所牽頭，碳纖維、葉片、整機等相關企業，正在推進制定碳纖維葉片的行業標準，涉及原材料、產品、測試驗證等環節。

此外，業內專家表示，需要重點關注碳纖維產業鏈的低碳環保工作，對原材料、輔材、生產過程、產品回收與利用等多方面深入開展研究。其中，碳纖維具有較高的回收價值，已經有國內外機構或企業在開展此類研究。通過回收技術，可能會打通碳纖維材料合成的閉環，即回收材料經加工后重新生成碳纖維的原材料，重回產業鏈。