复合材料赋能可再生能源， 助力“风光”领域“加速跑”

在全球能源结构向低碳化转变、能源消费结构不断优化的背景下，可再生能源的需求正持续增长。玻纤/碳纤维增强聚合物基复合材料作为高度工程化材料，具有高比模量和高比强度。在过去的几十年中，它们已成功应用于航空航天、汽车、铁路运输、海洋和风能行业。随着材料科学的不断进步，如今可再生能源领域已逐渐发展成为复合材料用量最大的终端市场之一。

 

在风电领域，开发大型化、轻量化和低成本的风电叶片是未来趋势。风电叶片的长度不断增加，复合材料因其轻质高强、可设计性及低成本等优势，成为风电行业不可替代的主体材料，保障了风电产业大规模快速发展。

在光伏领域，由于复合材料强度高、耐腐蚀、耐候性能强、可塑绝缘性、轻质美观等优势，正成为传统的金属材料光伏边框和支架的替代材料。

在电力输送领域，大量涌入的可再生能源发电量将给整个电网系统的传输能力、整合能力、可靠性带来极大挑战，使用复合材料可以改善可再生能源在整个电网中的传输。

风电领域：复合材料产业的中流砥柱

 

作为复合材料重要的终端市场，风电领域已成为当前碳纤维最大下游需求来源之一。在风力发电机的关键部件——叶片上，碳纤维复合材料正发挥着关键性的作用。这些轻质、高强度的材料不仅有助于提高风力发电机的性能，还能够减少维护成本，降低碳排放。

 

图1：明阳集团自主研制的MySE292海上超大型叶片成功下线©互联网

2月27日，由明阳集团自主研制的MySE292海上超大型叶片在海南东方智能制造基地成功下线，该叶片长143米，叶轮直径达292米，是目前全球已下线叶轮直径最大的风电叶片。明阳风能这款叶片所用碳纤维织物由恒神股份独家供应（见图1）。1月21日，当时全球最长三一重能131米陆上风电叶片在巴彦淖尔零碳数智产业园成功下线，该叶片所用的是中复碳芯电缆科技有限公司生产的高性能碳纤维拉挤板材。

风力发电叶片的首选材料
复合材料在比强度、比模量上具有技术材料无可比拟的优越性，因此成为目前大型风力发电叶片的首选材料。复合材料在整个风电叶片中的重量一般占到90%以上。其中承力结构由玻璃纤维或碳纤维复合材料组成，赋予结构较强的力学性能。复合材料叶片一般由根部、外壳和加强筋或梁三部分组成，与同级别高模玻纤主梁相比，采用碳纤维可实现减重20-30%。以122m长叶片为例，叶片重量的减轻可以大幅降低因自重传递到主机上的载荷，进而可以减少轮毂、机舱、塔架和桩基等结构部件15%～20%的重量，有效降低风机10%以上的整体成本。

风电叶片成型工艺，已由之前的湿法手糊成型工艺过渡为目前的织物真空灌注成型工艺、预浸料固化成型工艺、拉挤碳板叠层灌注成型工艺等。其中，维斯塔斯开发的碳纤维拉挤碳板叠层灌注工艺，直接改变了碳纤维复合材料在风电领域的传统应用方式，其通过高效的拉挤成型工艺，将碳纤维制备成单向碳纤维板材，之后将拉挤碳板叠层排列，灌注树脂后固化成型为风电叶片主梁。

 

图2：©互联网

 

维斯塔斯基于其风电叶片专利技术，将风电叶片主梁拆解为高效、低成本、高质量的拉挤碳板等标准件，然后把标准件一次组装整体成型（见图2）。

拉挤工艺是复合材料工艺中效率最高、成本最低的，而且纤维含量高，质量稳定，连续成型易于自动化，适合大批量生产。在板材环节，直接从碳纤维丝束出发，省去编织和树脂预浸环节，以最高的效率生产出最高纤维含量的大梁板；在叶片环节，利用拉挤板材制备叶片大梁可以和叶片一起制作，铺层工艺简单，制作叶片的时间只有灌注工艺的一半，极大地提升效率。维斯塔斯通过拉挤工艺，大幅提高了碳纤维体积含量，减轻了主体承载部分的质量，提高了主梁结构强度与刚度，促进了碳纤维的大批量应用。

目前，海上风电迅猛发展，包括我国在内的许多国家都宣布了海上风电的新战略。这就需要更大功率的风机、更长的风电叶片，对碳纤维的需求也就更高。由于海上风电的特殊性，碳纤维在海上风电中应用的潜在机会也将更多。

风电叶片的回收利用
谈到风电叶片，就无法避开回收利用这一话题。目前全球风电装机进入高速增长期，而最早大规模开发风电的多个国家也迎来了风机报废潮。在过去几年中，除了堆放在垃圾填埋场之外，如何在其寿命终期（EOL）处理退役的风力涡轮机叶片一直是风能公司关注的焦点。各大风机制造企业正不断加码风机叶片回收业务，打通风电低碳之路的“最后一公里”。

 

图3：西门子Gamesa Recyclable Blade叶片

 

例如，2021年，西门子Gamesa率先将其可回收叶片推向海上风电市场，并于2022年7月在德国安装了首批叶片。2022年，该公司还为陆上风电项目推出了新的可回收叶片版本Recyclable Blade。可回收叶片采用环氧树脂和Aditya Birla的可回收胺固化剂制成，使树脂在叶片的EOL时更容易与纤维分离（见图3）。

2023年，更多的原始设备制造商公布了叶片可持续发展计划，并承诺实现更可持续的风电叶片制造和退役。例如，2023年2月维斯塔斯风电系统公司宣布，它正在与合作伙伴CETEC、挪威Stena Recycling以及美国Olin合作，使用CETEC的化学工艺从叶片中回收纤维和环氧树脂。之后，维斯塔斯公司还宣布与丹麦弗雷德里克斯的Örsted公司建立可持续发展合作伙伴关系，旨在通过回收复合叶片材料和回收钢材采购净零风电场。

此外，由欧盟共同资助的EoLO-HUB项目是一项为期48个月的新计划，汇集了18个合作伙伴，专注于拆卸叶片、推进热解和溶剂分解技术以及开发回收纤维的治疗方法。

 

图4：叶片回收示意图

2023年3月18日，明阳智能研制的长度为75.7米可回收的热固性树脂叶片在包头成功下线。该叶片为全球首支搭载可回收环氧拉挤板材及可回收夹芯材料的大型叶片，实现了95%以上的叶片材料再回收（见图4）。

科研人员也在这一领域努力耕耘。2021年，中国科学院山西煤炭化学研究所研究员侯相林团队宣布，经过10多年的潜心研究，团队已掌握了“拆解”风机叶片主要材质——热固性纤维增强树脂复合材料的办法——定向解聚法，让“顽固”固体废料回归本源。

针对环氧树脂固化剂种类的不同，侯相林团队开发了多种催化体系，通过特定位置的“断键”开锁。不同于传统以小分子降解产物为目标的“以破为主”的回收思路，研究团队提出选择性断键降解回收热固性树脂的新思路，并利用配位不饱和或弱配位的金属离子选择性地断裂树脂化学键，实现了热固性树脂基复合材料的高效降解和全成分回收。利用水相体系配位不饱和的锌离子选择性地断裂环氧树脂的碳氮键，实现了碳纤维增强环氧树脂的高效降解及循环利用。

 

光伏领域：复合材料带来新的曙光

光伏作为新能源发电的最佳选择之一，是未来最具确定性的产业赛道。碳纤维在光伏中应用在这几年也异军突起。

得益于光伏领域对大尺寸热场的要求，碳-碳复合材料成为了大尺寸坩埚的主流材料。碳-碳复合材料是碳纤维及其织物增强的碳基体复合材料。最高理论温度更高达2600℃，因此被认为是最有发展前途的高温材料之一。

 

图5：光伏产业中使用的碳碳复合材料坩埚

光伏产业中所使用的碳-碳复合材料主要是用于制造坩埚，作为熔炼多晶硅或单晶硅的器皿，在氢化炉热场、直拉单晶热场、多晶铸锭炉热场、太阳能电池镀膜等工艺作为关键设备。碳碳复合材料具有可设计性和良好的热物理性能，和石墨热场材料相比，具有非常大的优势（见图5）。

此外，碳纤维辊可以用于光伏膜的生产、分切中。传统的金属辊筒，自身重量大，机器启动速度慢，惯性大，不仅耗能多、原料损耗大，对生产效率也产生一定的影响。而碳纤维辊具备轻量化、不易磨损、压力均匀、易调节、高精度等优点。

光伏支架与边框的复材应用
随着光伏应用场景不断呈现多元化发展趋势，海上光伏、水面光伏等正成为“十四五”时期我国光伏行业发展的新热点。然而，传统的太阳能光伏组件存在着一个共同的问题，那就是重量过大。此外，海上光伏、水面光伏等光伏应用新场景相较于地面光伏电站对于光伏支架、边框的防腐、轻量化方面提出了新的要求。

 

由于复合材料强度高、耐腐蚀、耐候性能强、可塑绝缘性、轻质美观等优势，也具有轻质化和易加工等优点，当前一些企业正在实践中不断探索使用玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维复合材料的光伏边框及支架来替代传统的金属材料。

边框是光伏组件的重要组成部分，它起到固定、保护电池片和增强组件整体结构的作用。传统的太阳能光伏组件通常使用铝制边框来支撑和保护光伏电池板。然而，铝材质的边框存在着重量过大的问题，并且在制造过程中需要大量的能源消耗。为了改善这种情况，众多辅材企业将目光转向了高性能复合材料，如碳纤维复合材料、聚氨酯材料、碳纤维复合材料等。

碳纤维复合材料具有优异的强度和轻量化特性，相比较传统的铝边框，碳纤维复合材料边框重量减轻了近一半，同时还具备更高的强度和耐腐蚀性。这种材料不仅能够减轻组件的整体重量，还能提高组件的耐久性和寿命。

光伏组件采用非金属边框封装后，大大降低了形成漏电回路的可能性，有助于减少PID电势诱导衰减现象的产生。PID效应的危害使得电池组件的功率衰减，减少发电量。因此，减少PID现象可以提高电池板的发电效率。

复合边框对铝边框替代空间大，带动玻纤、聚氨酯需求。保守情形下，2025年复合材料边框需求可达到132GW，渗透率达到19%，市场规模可达到72 亿元，对应玻璃纤维/聚氨酯需求约45/12 万吨；积极情形下，2025年复合材料边框需求可达到264GW，渗透率达到39%，市场规模可达到145亿元，对应玻璃纤维/聚氨酯需求约90/23万吨。

 

图6：复合材料光伏支架

 

光伏的支架也正从传统的金属材料慢慢转向复合材料，玻纤增强复材光伏支架多应用于地域空旷、环境恶劣的户外，常年经受高低温、风、雨、强日照的影响，在实际运行中面临的是诸多因素共同影响下的老化，其老化速度更快，而在复合材料诸多老化研究中，目前大多研究的是单一因素下的老化评估，因此开展支架材料多因子老化试验，评估老化性能，对光伏系统的安全运行具有重要意义（见图6）。

2023年的SNEC展会上，一些企业也陆续推出了采用复合材料的光伏组件和支架产品，已经迈出从产品研发、测试到产品出货的坚实一步。如重庆亿煊宣布成功生产出复合材料光伏支架，沃莱新材、英辰新能源对外推出光伏组件复合材料边框等。

支架的增强材料除了选用玻璃纤维，也有很多企业选择高强耐腐蚀性能好、耐侯性能更好的玄武岩纤维。例如，2022年10月，潍坊中创新材料科技有限公司宣布成功开发出国内首台玄武岩纤维光伏支架。2023年3月5日，北京连续玄武岩纤维科技有限公司与中能华安大数据有限公司就玄武岩纤维光伏支架生产供应订单签署合作协议。

根据市场研究报告，全球光伏支架市场规模预计将在2025年达到约300亿美元，年复合增长率（CAGR）预计为9.6%。其中，复合材料光伏支架市场占比逐年上升，表现出强大的增长潜力。这主要得益于复合材料光伏支架在轻质、高强度、抗腐蚀等方面的优越性能，以及其在降低成本、提高发电效率等方面的显著优势。

 

电网传输领域：打通电力输送的任督二脉

 

为了适应基础设施中可再生能源的广泛使用，电网必须能够满足现代能源需求。使用复合材料可以改善可再生能源在整个电网中的传输（见图7）。

 

图7：©互联网

 包括美国在内的很多发达国家，相对于蓬勃发展的可再生能源电力，电网本身的基础设施已经变老变慢了。据估算，在美国，70%的输电和配电线路已进入其50年预期寿命的后半部分，一些较低电压的部件甚至已超过100年。大量涌入的可再生能源发电量将给整个电网系统的传输能力、整合能力、可靠性带来极大挑战。

开发复合材料替代导体
传统导体包括一个外部铝导体环和一个增强钢芯——被称为铝导体钢增强（ACSR）导体。但是，它们的电流容量受到具有高热膨胀系数的钢芯的限制，这意味着通过导体的电流和环境温度产生的热量会使钢膨胀。自1908年出现钢芯铝绞线（ACSR）电缆以来，输电和配电网络运营商使用的架空导线技术并未发生实质性变化。ACSR至今仍占全球公用事业所用电缆的95%以上。

要实现联合国气候目标，采用新的电缆技术迫在眉睫。大规模的新型输电基础设施将是实现清洁能源转型的关键，而在电力传输过程中，先进导体制成的电缆则成为了关注的焦点。

 

图8：碳纤维复合芯导线（右）

业界将目光投向了碳环氧复合材料，碳纤维复合芯导线（ACCC）成为导体应用材料选择的终极选择。碳纤维复合芯导线拥有内部芯线和表面导线（铝）的结构。其中的芯线是用碳纤维作为中心层并包覆玻璃纤维材料制成的单根芯棒，围绕在芯线周围的具有梯形截面的铝线则为一种性能优良的新型导线（见图8）。

对于碳纤维复合芯导线来说，承担电能传输任务的是其外层部分的铝导线，而不是碳纤维复合芯。那么，碳纤维复合芯的作用是什么呢？简单来说，碳纤维复合芯的主要任务是承担导线自身的重量以及风力、导线应力等机械方面的应力。

由于碳纤维复合芯具有更高的强度，因此不再需要由铝导线承担部分受力作用。这样一来，外层的铝导线就可以全力负责导电了。比如，采用退火状态的软铝可以提高导电率，把截面设计成瓦型则可以大幅减小导线的外径。相对于同直径的常规导线来说，碳纤维复合芯导线可以大幅度提高载流的容量。

此外，由于碳纤维复合芯导线不存在传统导线钢丝材料引起的磁损和热效应，因此在输送相同容量的条件下具有更低的运行温度，这样可以减少输电过程中的能量损耗。

2019年，世界首条碳纤维复合导线特高压工程——大唐锡林浩特电厂1000千伏送出线路正式并网运行。运行线路全长 14.6 千米，全部采用国产碳纤维复合芯导线。据悉，该运行线路是锡盟—山东1000千伏特高压交流输变电工程的配套工程，对于缓解华北地区的用电紧张状况具有重要意义。

其他应用
◆ 复合绝缘子
复合绝缘子主要由引拔棒、伞裙和金具组成。其中引拔棒为绝缘子的内绝缘件，采用玻璃纤维增强复合材料制成，主要用于承担绝缘子的机械负荷。变电站用复合绝缘子主要有针式复合绝缘子、支柱复合绝缘子和感器用复合套管绝缘子等。主要用作变电站一次设备的外绝缘，提高一侧设备的可靠性。

◆ 电缆敷设
电缆敷设是变电站建设的重要环节，需要敷设的电缆包括控制电缆、动力电缆、光纤、数据线等。由于电缆需敷设在地面以下，电缆沟环境潮湿、液体的腐蚀性对电缆及电缆支架造成威胁，复合材料电缆支架的应用能较好地解决支架腐蚀生锈的问题。

◆ 复合材料箱体
箱式变电站箱体采用玻璃纤维增强复合材料制造始于1997年，其强度高，在运输震动和抖动情况下不易损坏。另外，复合材料箱体耐老化性能好，具有抗暴晒、抗辐射、抗风化、隔热防水、防大气腐蚀等特性。

随着城市化的快速推进，工业节能减排的实施，以及环境友好型、资源节约型的“两型三新”线路理念的逐步深入，设计、制造、连接等关键技术的解决，电力用复合材料将获得较大发展，有望成为复合材料行业下一个经济增长点。

 

来源：荣格-《国际塑料商情》

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