風電增強材料總述
上圖左:葉片成本結(jié)構(gòu)
上圖右:葉片材料成本結(jié)構(gòu)
風電葉片用增強材料的核心指標是密度、拉伸強度和模量。復合材料性能優(yōu)異,作為風電葉片材料具備優(yōu)異的力學性能、工藝性能和耐環(huán)境腐蝕性能。其中最關(guān)鍵的指標是密度、拉伸強度和模量。材料密度越小單位體積質(zhì)量越輕,在風電葉片大型化背景,葉片長度越來越長,低密度的材料可以滿足輕量化的需求。同時,葉片必須具備高剛度和高強度,來滿足葉片變截面、曲率大和結(jié)構(gòu)鋪層漸變及發(fā)電環(huán)境艱難的特征要求。隨著風電機組大型化,葉片越長整體柔性變形就越大,控制葉尖撓度變形可以確保葉片與塔架之間具有足夠的安全距離,避免發(fā)生掃塔事故。而材料的拉伸模量是影響葉片變形,增加其剛度的關(guān)鍵因素之一。
上圖:各種材料物理特性對比
拉擠成型適合大批量生產(chǎn),適宜風電行業(yè)。實現(xiàn)纖維增強復合材料嵌入過程的工藝主要包括濕法手糊成型(Hand Lay-up)、預浸料成型 (Prepreg)、真空導入成型(RIM)、纏繞成型工藝(FRTP)、拉擠成型(Pultrusion)等。真空導入成型是目前生產(chǎn)葉片的主導工藝,主要優(yōu)勢為污染小,品質(zhì)穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高以及較易商業(yè)化。而濕法手糊成型雖然成型模具簡單投入少,但質(zhì)量差、污染大、效率低。預浸料成型綜合性能較優(yōu),但成本較高。纏繞成型通常應用于玻璃鋼容器及管式壓力容器,如氫氣瓶。拉擠成型生產(chǎn)效率較高,適于大批量生產(chǎn)且制品質(zhì)量穩(wěn)定,軸向力學性能佳,比較適宜風電行業(yè)領域,近年來占比快速升高,特別是碳纖維拉擠工藝降低了碳纖維的應用成本,近年來得到快速發(fā)展。
上圖:復合材料成型工藝
玻璃纖維:當前主流的風電增強
上圖:玻纖行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈
近十年來,我國玻纖的表觀消費量持續(xù)增長,CAGR 達到 10.8%。2021 年,需求量約 471 萬噸。當前我國玻纖終端需求結(jié)構(gòu)如下圖所示,建筑仍占據(jù)最大的份額占比34%,風電需求占比7%,但增速較快。
上圖左:中國玻纖表現(xiàn)及銷量
上圖右:國內(nèi)玻纖消費結(jié)構(gòu)
玻纖作為風電增強材料具備較高性價比。玻璃纖維復合材料由于具有輕質(zhì)高強度的特性,在制品輕量化、資源綜合利用等減少碳排放方面具有巨大優(yōu)勢。玻纖作為風電增強材料具有明顯優(yōu)勢,主要因為玻纖不僅具備優(yōu)異的性能,同時兼顧經(jīng)濟性。研究表明,玻璃纖維的密度比鋼低67%,比鋁合金低10%左右,應用在風電葉片上能大幅降低重量提升發(fā)電效率,降低運輸成本。玻纖的拉伸強度比金屬材料高2~6 倍,拉伸模量僅略高于鋁合金,目前市場主流高模量玻纖拉伸模量達到89Gpa。此外,增強材料成本占風電葉片總成本的21%,成本占比較大,因此在增強材料選擇上需考慮其經(jīng)濟性。我國玻纖行業(yè)成熟的產(chǎn)業(yè)鏈基礎以及多年來降本的努力使得玻纖具有很強的性價比。目前,玻纖的比強度單價僅7.2 元/噸,僅達到其他材料的10%。極具性價比使玻纖成為風電葉片增強材料的主流選擇。玻纖在風電領域的運用稱為風電紗,應用主要集中使用在葉片上,少量使用在機艙罩等部位。玻纖在葉片的蒙皮、腹板和主梁上都有廣泛的應用,其中拉擠板主要用于葉片主梁結(jié)構(gòu)上,由玻璃纖維或碳纖維制成。蒙皮提供葉片氣動外形并承擔大部分剪切載荷,用于捕獲風能,主要材料為多軸向玻纖。
雙碳背景下,風電紗需求穩(wěn)定增長。根據(jù)明陽智能招股說明書披露,單位GW 風電裝機所需玻纖用量在 1 萬噸左右。截至 2021 年,國內(nèi)累計風電裝機量為 329.10GW,預計2025 年新增裝機量91GW,對應玻纖需求至少約91 萬噸。
上圖左:中國風電紗需求測算
上圖右:全球風電紗需求測算
上圖:中國風電紗玲玉市場格局
我國玻纖產(chǎn)能占全球比例超過 60%,產(chǎn)能集中度高。2021 年,我國玻纖產(chǎn)量突破600 萬噸,占全球總產(chǎn)量的70%以上,中國已成為世界規(guī)模最大的玻纖生產(chǎn)國。通常玻纖生產(chǎn)線開窯后,需要連續(xù)生產(chǎn)8-10 年,中途難以降低負荷調(diào)節(jié)產(chǎn)量(因非正常停窯產(chǎn)生顯著額外成本),因而玻纖供給較為剛性,調(diào)節(jié)余地小。供給側(cè)的影響主要集中在新增產(chǎn)能和冷修產(chǎn)能。預計目前所有冷修項目及在建產(chǎn)能全部投產(chǎn)后,將提升300 萬噸/年產(chǎn)能。
上圖:主要生產(chǎn)企業(yè)冷修技改計劃
上圖:主要生產(chǎn)企業(yè)擴建計劃
2021 年,我國玻纖增強復合材料制品產(chǎn)量 584 萬噸,其中玻纖增強熱塑性復合材料274 萬噸,玻纖增強熱固性復合材料310 萬噸,風電用途屬于后者。全球玻纖行業(yè)主要有七大生產(chǎn)企業(yè):分別為國內(nèi)的巨石集團有限公司、重慶國際復合材料有限公司、泰山玻璃纖維股份有限公司、山東玻璃纖維股份有限公司以及美國歐文斯科寧-維托特克斯公司(OCV)、日本電氣硝子公司(NEG)和美國Johns Manville 公司(JM)。目前這7 家公司占據(jù)的全球玻纖總產(chǎn)能的72%。整個行業(yè)呈現(xiàn)寡頭壟斷特點,并在過去十年未有變化,行業(yè)格局非常穩(wěn)定。按各國企業(yè)產(chǎn)能占比進行測算,2021 年中國占全球玻璃纖維產(chǎn)能約71%,中國已成為全球最大的玻纖生產(chǎn)基地,產(chǎn)業(yè)鏈完善。國內(nèi)供給同樣呈現(xiàn)寡頭壟斷的特點,2021 年中國巨石、泰山玻纖、重慶國際占據(jù)60%以上的市場份額。因為玻纖行業(yè)重資產(chǎn)、資本密集、核心技術(shù)不易獲得這些特點保證了玻纖行業(yè)中的龍頭能不斷積累規(guī)模優(yōu)勢,降低成本,同時加強技術(shù)研發(fā),通過技改進一步降低成本。
上圖左:2020年全球玻纖供給格局
上圖右:2021年中國玻纖供給格局
葉片大型化的背景下,高模玻纖是玻纖未來發(fā)展方向。與普通無堿玻纖相比,高模高強玻纖具有拉伸強度高、彈性模量高、抗沖擊性能好、化學穩(wěn)定性好、抗疲勞性好、耐高溫等優(yōu)良性能。隨著近十年玻纖企業(yè)持續(xù)不斷的技術(shù)創(chuàng)新,每一代玻纖的模量都提升了 10%左右, 90Gpa 已能滿足目前的市場需求,中國巨石最新的超高模量E9 玻璃纖維拉伸模量達到100Gpa,比普通E 玻纖提高36%,并且其強度比普通E玻纖提高60%,預計滿足至少未來三年的市場需求,有力地促進了葉片大型化的發(fā)展。
上圖:各種材料物理性質(zhì)對比
上圖:各型號拉伸模量對比
上圖:布局風電領域玻璃纖維上市公司產(chǎn)能情況
碳纖維:受益于葉片大型化,國內(nèi)突破量產(chǎn)打開降本空間
碳纖維是一種高強度輕量化材料。碳纖維是由聚丙烯腈等有機纖維在高溫環(huán)境下裂解碳化形成的含碳量高于90%的碳主鏈無結(jié)構(gòu)無機纖維,是目前已規(guī)模化生產(chǎn)的高性能纖維中具有最高的比強度和最高的比模量的纖維,其比重不到鋼的 1/4,強度卻是鋼的7~9 倍。根據(jù)文獻記載,原子間結(jié)合力模型計算可得出碳纖維理論抗拉強度高達180GPa,但實驗室數(shù)據(jù)僅達到9GP,仍有很大的發(fā)展空間。另外,碳纖維具有耐高溫、耐腐蝕以及其他材料不可替代的耐摩擦、耐承壓、導電、導熱等優(yōu)良性能,其中耐高溫性能是化學纖維之最,在2000°C以上的高溫惰性氣氛中,唯獨碳纖維是強度不下降的材料。碳纖維原絲本身是絲狀的,通常將其經(jīng)過預氧化、碳化、紡絲后加入樹脂、陶瓷等補強材料并經(jīng)過工藝成型獲得碳纖維復合材料(簡稱為復材)從而進行終端應用,目前廣泛應用于風力發(fā)電、體育休閑、壓力容器、碳/碳復合材料、航空航天等領域,且有很強的拓展性。
上圖:碳纖維與玻璃纖維及鋼材對比
葉片大型化后,碳纖維已經(jīng)成為必要選擇。隨著葉片長度的增加,對增強材料的強度和剛度等性能提出了新的要求,玻璃纖維在大型復合材料葉片制造中逐漸顯現(xiàn)出性能方面的不足,特別是對于超過100 米的葉片。為了保證在極端風載下葉尖不碰塔架,葉片必須具有足夠的剛度。既減輕葉片的質(zhì)量,又要滿足強度與剛度要求,有效的辦法是采用纖維進行增強,在發(fā)展更大功率風力發(fā)電裝置和更長轉(zhuǎn)子葉片時,采用性能更好的碳纖維復合材料勢在必行。全球風能理事會(CWEA)數(shù)據(jù)顯示,2015-2021 年間,全球風電領域的碳纖維需求迅速從 1.8 萬噸增長到了 3.3 萬噸,占到了 2021 年全球碳纖維總需求的約30%,碳纖維風電葉片成為碳纖維下游的最大市場。
上圖左:全球碳纖維下游結(jié)構(gòu)(萬噸)
上圖右:中國碳纖維下游結(jié)構(gòu)(萬噸)
按照原絲制備中的原料種類,碳纖維可以分為聚丙烯腈基(PAN 基)、瀝青基和粘膠基。其中,由于PAN 基碳纖維原料來源廣、工藝技術(shù)成熟、經(jīng)濟性較好而被廣泛應用,當前 PAN 基碳纖維占碳纖維總量的 90%以上,瀝青基占 8%,粘膠基不到 1%。因此,碳纖維一般指PAN 基碳纖維。
上圖:碳纖維原絲種類類型
力學性能是碳纖維的核心性能指標和分類依據(jù),按照現(xiàn)行聚丙烯腈基碳纖維國家標準 GB/T 26752-2020 的力學性能分類,PAN 碳纖維分為高強型、高強中模型、高模型、高強高模型四類,具體分類如下:
上圖:碳纖維力學性能分析
一般使用碳纖維中單絲根數(shù)與1,000 的比值對單束碳纖維包含的碳纖維數(shù)量進行衡量, 如12K 指單束碳纖維中含有12,000 根單絲的碳纖維。按照每束碳纖維中單絲根數(shù),碳纖維可以分為小絲束和大絲束兩大類別。通常將48K 以下的稱為小絲束,通常包含1K、3K、6K、12K、24K,48K 及以上的稱為大絲束碳纖維。通常來說,絲束越大,聚集越容易,但同時展紗效果就越差,浸潤膠液的效果也越差,同時單絲中容易發(fā)生空隙等問題。同時,大小絲束的穩(wěn)定程度存在差異,小絲束碳纖維的變異系數(shù)控制在5%以內(nèi),抗拉強度較為穩(wěn)定,離散型較小,大絲束碳纖維的變異系數(shù)則在15-18%,離散性更高,穩(wěn)定度低。離散性低意味著強度更高。但從大規(guī)模工業(yè)化的角度,大絲束碳纖維在相同的生產(chǎn)條件下,可大幅度提高碳纖維單線產(chǎn)能,實現(xiàn)生產(chǎn)低成本化,打破碳纖維高昂價格帶來的應用局限,因而是一個極有潛力的市場,特別適用于風電這種需要兼顧性能和成本的應用領域。
總體而言,小絲束碳纖維性能優(yōu)異但價格較高,一般用于航天軍工等高科技領域,以及體育用品中產(chǎn)品附加值較高的產(chǎn)品類別,主要下游產(chǎn)品包括航空航天、高爾夫球桿、網(wǎng)球拍等。大絲束產(chǎn)品性能相對較低但制備成本亦較低,因此往往運用于基礎工業(yè)領域,包括風電能源、土木建筑、交通運輸?shù)取?nbsp;
拉擠法逐漸成為主流,為碳纖維在風電上的應用打開空間。早期,盡管碳纖維有著優(yōu)越的性能,但其在風電領域的應用十分受限,主要是因為 2015 年之前,碳纖維應用在風電葉片的工藝主要以預浸料和真空灌注為主,部分采用小絲束碳纖維,平均價格偏高,經(jīng)濟性差,且此類成型方法操作復雜、生產(chǎn)效率低,限制了其在各領域的普及應用。
2015 年開始,維斯塔斯通過拉擠工藝,大幅提高了碳纖維體積含量,減輕了主體承載部分的質(zhì)量,且降低了碳纖維成本。維斯塔斯公司開發(fā)出碳纖維拉擠工藝制作的葉片大梁后,開始大規(guī)模推廣碳纖維在風電領域的應用。目前,該公司兆瓦級以上風機葉片都使用碳纖維復合材料,極大地推動了碳纖維在風電領域的應用。2021 年風電的碳纖維用量3.3 萬噸,僅維斯塔斯用量就在2.5-2.8 萬噸左右。
上圖:碳梁在葉片中的結(jié)構(gòu)示意
葉片用碳纖維復合材料大梁的制作方面可以分為預浸料工藝、灌注工藝、拉擠(碳板)工藝三種。預浸料工藝是碳纖維先制成單向預浸料,然后在模具中鋪層,用真空袋加壓,并除去層與層之間的空氣,最后升溫固化,得到大梁。灌注工藝是碳纖維先編織成單向布,然后在模具中鋪層,用真空袋加壓,并除去層與層之間的空氣,同時把樹脂導入,最后升溫固化,得到大梁。拉擠工藝是先將碳纖維制成拉擠板材,然后在葉片制作時,在設定位置內(nèi),把拉擠板材黏貼在蒙皮上制成大梁。其生產(chǎn)過程簡單、工藝成熟穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本可得到很好的控制。成本下降主要體現(xiàn)在可以減少工序,相應減少模具的投入。同時與灌注工藝相比,拉擠的樹脂含量更低,可以使葉片重量下降 3%。根據(jù)《賽奧全球碳纖維復合材料市場報告》,纏繞拉擠工藝占碳纖維復材的占比從2017 年的26%提升到了2020 年的36%。2020 年,纏繞拉擠工藝第一次超越預浸鋪放工藝,成為碳纖維使用最多的工藝,其背后分別是氫氣瓶和風電市場對碳纖維的需求提升。隨著大絲束需求的進一步增長,拉擠工藝的滲透率會繼續(xù)提升。
這一工藝長期受維斯塔斯專利保護,研發(fā)新型主梁結(jié)構(gòu)設計并獲得更好的產(chǎn)品性能較為困難,因此此前國內(nèi)碳纖維制造商只能通過進入維斯塔斯供應鏈的方式,因而一定程度上制約了中國碳纖維葉片及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。至2022 年7 月19 日,全球風電整機巨頭維斯塔斯碳纖維葉片核心專利拉擠工藝到期,國內(nèi)拉擠法滲透率有望進一步提升,從而帶動碳纖維在風電葉片上的需求量進一步增加。當前已有較多企業(yè)已開始布局碳纖維拉擠產(chǎn)線,光威復材已實現(xiàn)碳纖維拉擠板供應Vestas,恒神股份也在拉擠板領域有所布局。
碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈較長,核心環(huán)節(jié)集中在原絲和碳絲環(huán)節(jié)。碳纖維生產(chǎn)過程,主要分為PAN 紡絲原液的制備、PAN 原絲的紡制、原絲預氧化及碳化、復材成型幾個環(huán)節(jié)。具體的,有機聚合物(主要為聚丙烯腈)單體進行聚合并溶解;得到的聚合物按照不同的紡絲工藝進行紡紗、洗滌、拉伸得到碳纖維原絲;原絲添加化學品穩(wěn)定后,在厭氧、高溫環(huán)境下碳化排出所有非碳材料,形成純碳網(wǎng)狀鏈,后經(jīng)表面處理、上漿后形成碳纖維(稱為碳絲);得到的絲束加入樹脂、陶瓷等補強材料并經(jīng)過工藝成型獲得碳纖維復合材料。其中原絲環(huán)節(jié)是最后產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵,有學者曾提出:“碳纖維質(zhì)量 90%在原絲”。如果在原絲環(huán)節(jié)出現(xiàn)品質(zhì)缺陷,如表面孔洞、沉積、刮傷以及單絲間黏結(jié)等,在后續(xù)加工中很難消除,從而造成碳纖維力學性能的下降。只有得到高取向、高強度、熱穩(wěn)定性好、纖度均勻、雜質(zhì)和缺陷少的原絲,才能有效提高碳纖維質(zhì)量。
從產(chǎn)業(yè)鏈角度,我國是原料聚丙烯腈生產(chǎn)大國,但原絲和碳絲環(huán)節(jié)仍由日美韓主導,這主要是我國碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展起步較晚導致,但隨著我國風電等領域全球影響力的加大帶來國內(nèi)需求的繁榮,我們能夠看到碳纖維的技術(shù)工藝產(chǎn)能都在快速進步,進口依賴的現(xiàn)象也在逐漸改善,近幾年將成為高速發(fā)展的窗口期。2020 年,我國大陸地區(qū)PAN 基碳纖維對外依存度62%,較2015 年的85%已降低22pct。
原絲環(huán)節(jié)核心壁壘在于設備、紡絲工藝和過程控制。盡管從碳絲和復材角度上來說,我國國產(chǎn)化率提升喜人,但原絲國產(chǎn)化的進度較慢,尤其對于大絲束,當前商業(yè)化生產(chǎn)銷售的僅吉林碳谷。多年來,原絲質(zhì)量低于海外是根本問題。我們認為,原絲環(huán)節(jié)核心壁壘在于三個環(huán)節(jié)——設備、紡絲工藝和過程控制。
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設備:目前原絲核心設備仍主要依賴進口,僅有部分部件來自國產(chǎn),國產(chǎn)整體設備和海外差距較大。海外標準設備在工藝適配性上有不足,也較難滿足企業(yè)自身的參數(shù)要求,因此也需要有改造、調(diào)整進口設備的能力。
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紡絲工藝:碳纖維原絲紡絲工藝的選擇及控制為穩(wěn)定生產(chǎn)高性能原絲的關(guān)鍵因素。紡絲工藝主要分為濕法紡絲、干法紡絲和干噴濕紡(亦稱干濕法紡絲),主要區(qū)別在于噴絲板與凝固浴的位置關(guān)系不同。目前,國內(nèi)外生產(chǎn)聚丙烯腈原絲的工藝主要為濕法紡絲和干噴濕紡。干法成型的纖維結(jié)構(gòu)較緊密,但內(nèi)部形成的原纖多,處于淘汰階段。
濕法成型的纖維纖度變化小,纖維上殘留的溶劑少,容易控制原絲質(zhì)量,是目前廣泛應用的紡絲工藝,干噴濕紡是紡絲工藝的新發(fā)展趨勢。(《高濃度PAN/DMSO 溶液干濕法紡絲工藝研究》)濕法紡絲是原液經(jīng)過計量泵,然后從噴絲頭擠出,原液細流直接進入凝固浴,在凝固浴中迅速凝固成絲條,形成初生纖維。紡絲原液從噴絲頭噴出進入凝固浴后,原液細流的表層首先與凝固浴接觸,進行傳質(zhì),很快凝固成一薄層,凝固浴中的水不斷通過這一薄皮層擴散至細流內(nèi)部,而細流中的溶劑也通過皮層擴散至凝固浴中。
干噴濕紡不直接浸入凝固浴,是紡絲原液經(jīng)過噴絲板噴出之后先經(jīng)過一段 3-10cm 的空氣層,然后再進入凝固浴??諝鈱邮怯行У睦靺^(qū),不僅可提高紡絲速度,而且容易得到高強度、高取向的原絲,原絲的結(jié)構(gòu)均勻致密,因此要得到高強度的碳纖維,較好的方法是采用干噴濕紡。同時,由于干噴濕紡工藝要求高壓紡絲和高倍牽伸,所以還能夠令生產(chǎn)效率成倍提高。但此方式對紡絲工藝和原液質(zhì)量要求極高,任何不穩(wěn)定因素導致的任何一根原液斷流都會最終破壞整個噴絲板的正常生產(chǎn),因此干噴濕紡技術(shù)難度較大,國內(nèi)僅少數(shù)企業(yè)能夠掌握成熟工藝技術(shù)。
按照聚合和紡絲工藝是否連續(xù)可以分為一步法、兩步法。由于溶液聚合可直接獲得聚合物溶液,只要經(jīng)過脫單、過濾及脫泡后即可用于紡絲,因此被稱為一步法;而兩步法使水相聚合,先通過水相沉淀聚合得到 PAN 固體粉料,然后經(jīng)過粉碎、烘干等供需,最后利用有機溶劑溶解PAN 粉末來生產(chǎn)紡絲原液??偟膩碚f,兩者各有優(yōu)劣。一步法工藝相對簡單,可控性較好,但由于聚合過程不易散熱、消耗的第三單體及溶劑較多、溶劑不易回收、溶劑的鏈轉(zhuǎn)移系數(shù)大,不易獲得高分子量的PAN 聚合物;兩步法的聚合過程散熱較為容易,溶劑幾乎沒有鏈轉(zhuǎn)移系數(shù),因此可獲得一步法溶液聚合所不能獲得的高分子量的PAN 聚合物,且紡絲原液通過溶解制備,使得可用于紡絲的PAN 原液可選范圍廣,提高了分子量和濃度上限。但另一方面,兩步法工藝復雜,會加大生產(chǎn)成本,容易引入雜質(zhì),且聚合物粒徑較大不易制得高性能 PAN 原絲,較少用于小絲束碳纖維原絲生產(chǎn)。目前“一步法—濕法”紡絲工藝是我國絕大部分碳纖維生產(chǎn)企業(yè)采用的工藝路線。
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過程控制:碳纖維的生產(chǎn)工藝流程復雜精密,全部參數(shù)多達3000 余個,因此整個碳纖維生產(chǎn)過程中的過程控制要求極高。紡絲原液的制備決定了PAN 大分子鏈的微觀結(jié)構(gòu), 是整個流程的源頭和基礎,溶液凈化程度和溶解的均勻性都可直接決定干噴濕紡工藝能否生產(chǎn)順利甚至是否可行;原絲是碳纖維前驅(qū)體的成形階段,原絲的高強度、細旦化、分纖性能優(yōu)良、質(zhì)地均一是制備高性能碳纖維的前提;預氧絲的制備是碳纖維生產(chǎn)過程中承前啟后的橋梁,是組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的重要過渡階段;碳化是亂層石墨結(jié)構(gòu)形成、長大和有序化階段,是碳纖維拉伸強度大幅度提高的階段。整個生產(chǎn)流程中的每個環(huán)節(jié)都會對最終碳纖維質(zhì)量造成不可逆轉(zhuǎn)的影響,尤其是工藝中的缺陷,更是會跟隨每一級流程遺傳至終并產(chǎn)生連鎖甚至擴大缺陷效應,因此,必須控制好每一步的生產(chǎn)質(zhì)量,才會最終制得高性能碳纖維。對于大絲束來說,精確控制和生產(chǎn)過程中的調(diào)整均是難點,需要專業(yè)團隊和長期的技術(shù)積累。
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碳絲環(huán)節(jié)核心壁壘在于設備及調(diào)試過程。PAN 原絲先進入預氧化爐(通常在180~280°C)生產(chǎn)出預氧化纖維,達到讓預氧絲在炭化高溫下不熔不燃,保持纖維狀態(tài),熱力學處于穩(wěn)定狀態(tài);預氧絲再放入低溫炭化爐(300~1000°C)和高溫炭化爐(1000~1600°C)制成碳絲。在預氧化和碳化的兩個過程中,控制溫度和時間是控制反應速度和結(jié)構(gòu)變化過程的關(guān)鍵,也是核心設備的主要技術(shù)點。兩個環(huán)節(jié)主要涉及的專用設備是預氧化爐和炭化爐,當前國內(nèi)企業(yè)在這兩個核心設備環(huán)節(jié)已基本完成國產(chǎn)化。但設備之外,廠家還需要根據(jù)自己的技術(shù)認知和經(jīng)驗對設備進行調(diào)試、改造,這個環(huán)節(jié)同樣重要,需要經(jīng)年累月的技術(shù)積累和投入,因此我們認為這個環(huán)節(jié)的競爭是存在先發(fā)優(yōu)勢的。
碳纖維vs 玻璃纖維:共享風電增長紅利
碳纖維和玻纖將共享風電增長紅利。玻纖相較于碳纖維有性價比優(yōu)勢,同時高模玻纖新型號的出現(xiàn)增加了其未來的發(fā)展?jié)摿?,高模玻纖拉伸模量等性能能夠比肩碳纖維,同時兼有玻纖的成本優(yōu)勢,在風電滲透率提升過程中仍將扮演重要角色。但當葉片超過一定尺寸后,碳纖維葉片的優(yōu)勢將更加顯現(xiàn),特別是對于追求極致更大葉片的海上風電領域。當葉片超過一定程度,碳纖維比玻璃纖維在材料用量、勞動力、運輸和安裝成本方面都有顯著降低。具體在成本端下降有以下的特點:
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質(zhì)量輕,在滿足剛度和強度要求的條件下,碳纖維葉片比玻璃纖維葉片輕20%以上;
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低負荷;變槳軸承、偏航系統(tǒng)、風機輪轂、塔筒變得更輕,更易操作、運輸及吊裝3)擾度更小,機翼部分更薄。機翼氣動效率更高,提高風能的利用率和年發(fā)電量,動力問題少、預彎少、垂懸部分小,提高葉片的抗疲勞性能,可制造低風速葉片、自適應葉片,利用導電性能避免雷擊,具有振動阻尼特性。另外,隨著碳纖維產(chǎn)能產(chǎn)量的不斷釋放,碳纖維成本將很快能夠大規(guī)模匹配下游可承受范圍??傮w我們認為,碳纖維和玻纖能夠共享風電領域增長紅利。