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風(fēng)電系列之六上游材料國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)行時(shí)
在葉片大型化的風(fēng)電趨勢(shì)下，要求風(fēng)電葉片需具備外形復(fù)雜、系列行精度高、游材天津市德田漆業(yè)化工有限公司質(zhì)量分布均勻、料國(guó)耐候性好等特點(diǎn)，產(chǎn)替相應(yīng)地，代進(jìn)推動(dòng)核心材料的風(fēng)電供給端發(fā)生變革，也提升了對(duì)材料性能的系列行要求。
目前，游材風(fēng)電葉片制造的料國(guó)部分關(guān)鍵材料有較高的進(jìn)口依賴，但國(guó)內(nèi)企業(yè)已在加速布局，產(chǎn)替國(guó)產(chǎn)替代漸行漸近。代進(jìn)
大葉片需要好材料
風(fēng)電葉片經(jīng)歷了由木質(zhì)材料到金屬材料再到復(fù)合材料的風(fēng)電演變過(guò)程。
相比金屬材料，系列行復(fù)合材料制作的游材葉片質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、剛性好、成型工藝簡(jiǎn)單、抗震性好、抗疲勞性能好、耐腐蝕性和耐氣候性好、易于修補(bǔ)等。
當(dāng)前，復(fù)合材料已成為制造風(fēng)電葉片的主流材料。
材料與工藝是復(fù)合材料的兩個(gè)最重要因素。
玻璃纖維是目前生產(chǎn)風(fēng)電葉片的主要復(fù)合材料，同時(shí)，碳纖維的天津市德田漆業(yè)化工有限公司使用量也在上升。
風(fēng)電葉片由蒙皮和腹板組成，蒙皮采用夾芯結(jié)構(gòu)，中間層是輕木或泡沫芯材，上下面層為玻璃纖維復(fù)合材料。玻璃纖維的突出性能是抗拉強(qiáng)度大，其受力特點(diǎn)是在玻璃纖維方向能承受很高的拉應(yīng)力，而其他方向承受的力相對(duì)較小。面層鋪設(shè)玻璃纖維，以承受離心力和氣動(dòng)彎矩產(chǎn)生的軸向應(yīng)力，兩種作用力的方向沿葉片指向轉(zhuǎn)軸，恰好是玻璃纖維的拉伸方向。腹板與蒙皮結(jié)合的梁帽位置需要承受較大應(yīng)力，則使用實(shí)心玻璃纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。
工藝方面，真空灌注成型工藝（VARTM）被廣泛運(yùn)用，適用于該工藝的樹(shù)脂體系將決定風(fēng)電葉片的生產(chǎn)效率。
真空灌注成型工藝對(duì)基體樹(shù)脂的要求為：①低粘度(一般低于300mPa·s)，流動(dòng)性好且生產(chǎn)效率高；②允許足夠長(zhǎng)的可操作時(shí)間（一般控制在2～5小時(shí)之間），在樹(shù)脂流動(dòng)期間系統(tǒng)粘度增長(zhǎng)緩慢，有利于纖維增強(qiáng)材料的浸潤(rùn)；③適當(dāng)?shù)姆艧岱鍦囟?，在纖維層較厚部位不容易產(chǎn)生樹(shù)脂放熱聚集缺陷，芯材部位不易產(chǎn)生過(guò)熱燒焦；⑤固化收縮率低，產(chǎn)品變形??；⑥與增強(qiáng)纖維浸潤(rùn)性好；⑦較好的耐疲勞性能；⑧快速建立Tg能力，減少占模時(shí)間，提升生產(chǎn)效率。
目前，用于生產(chǎn)風(fēng)電葉片的三種主要基體材料為環(huán)氧樹(shù)脂、乙烯基酯樹(shù)脂或不飽和聚酯樹(shù)脂。
總體上，玻纖增強(qiáng)材料用于提供葉片足夠的剛度與強(qiáng)度，環(huán)氧樹(shù)脂、乙烯基酯樹(shù)脂或不飽和聚酯樹(shù)脂等基體材料則用于提供韌性和耐久性。
基體材料
環(huán)氧樹(shù)脂是風(fēng)電葉片生產(chǎn)過(guò)程中最為核心的原材料之一，其在風(fēng)電葉片中的作用十分關(guān)鍵。
環(huán)氧樹(shù)脂是環(huán)氧氯丙烷與雙酚A或多元醇的縮聚產(chǎn)物，其優(yōu)良的物理機(jī)械和電絕緣性能、與各種材料的粘接性能以及使用工藝的靈活性是其他熱固性塑料所不具備的。
玻璃纖維或碳纖維通過(guò)浸漬環(huán)氧樹(shù)脂實(shí)現(xiàn)材料的增強(qiáng)，滿足葉片機(jī)械性能。環(huán)氧樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料后在模具內(nèi)高溫固化制成風(fēng)電葉片。同時(shí)，樹(shù)脂材料與芯材表面進(jìn)行粘合提高強(qiáng)度。
我國(guó)環(huán)氧樹(shù)脂的產(chǎn)能利用率在50%-60%之間，然而，進(jìn)口依存度卻達(dá)到20%左右。從市場(chǎng)份額來(lái)看，瀚森化工和歐林占據(jù)主導(dǎo)地位，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)主要有道生天合、上緯新材、惠柏新材料等。
環(huán)氧樹(shù)脂在固化前是一種線性熱塑性低聚物，其從熱塑性線性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的過(guò)程稱為固化，固化后的樹(shù)脂才具有使用價(jià)值。固化劑對(duì)固化成型起著十分重要的作用。
胺類化合物是環(huán)氧樹(shù)脂重要的固化劑。聚醚胺將含有醚鍵的胺類化合物應(yīng)用于環(huán)氧樹(shù)脂固化劑中,不但能提高固化物的柔韌性,還克服了簡(jiǎn)單多胺固化劑毒性大的缺點(diǎn)。此外，聚醚胺還能改善環(huán)氧樹(shù)脂的耐酸堿性、耐水性和電性能。
聚醚胺行業(yè)的技術(shù)門檻高。相關(guān)企業(yè)一般具有較強(qiáng)的研發(fā)能力、獨(dú)有的生產(chǎn)技術(shù)和多年積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，以確保其產(chǎn)品質(zhì)量，新進(jìn)入者難以在短時(shí)間內(nèi)研發(fā)出強(qiáng)大的生產(chǎn)技術(shù)。
聚醚胺下游主要為大型化學(xué)品制造商及貿(mào)易公司，對(duì)聚醚胺產(chǎn)品有特定質(zhì)量要求且需求量龐大，比如風(fēng)電行業(yè)。因此，下游客戶多與大型聚醚胺企業(yè)建立穩(wěn)定的關(guān)系，行業(yè)整體的客戶黏性較高。
聚醚胺的合成工藝包括間歇法和連續(xù)法。整體而言，連續(xù)法生產(chǎn)成本較高，但生產(chǎn)效率也高，工藝更具優(yōu)勢(shì)，目前國(guó)內(nèi)僅有部分企業(yè)采用。隨著聚醚胺行業(yè)加速發(fā)展，規(guī)模效應(yīng)逐步顯現(xiàn)，連續(xù)法的優(yōu)勢(shì)將增強(qiáng)。
2020年聚醚胺下游前三大行業(yè)分別是風(fēng)電（62%）、建筑（25%）及膠粘劑（4.5%），合計(jì)需求10.1萬(wàn)噸。
中國(guó)2016年至2020年的聚醚胺銷量由4.2萬(wàn)噸增長(zhǎng)至10.1萬(wàn)噸，復(fù)合增長(zhǎng)率為24.5%。其中，風(fēng)電是行業(yè)增長(zhǎng)的重要驅(qū)動(dòng)力，風(fēng)電行業(yè)聚醚胺銷量由1.7萬(wàn)噸增長(zhǎng)至6.3萬(wàn)噸，復(fù)合增長(zhǎng)率為38.4%。弗若斯特沙利文預(yù)測(cè)，202025年中國(guó)聚醚胺需求有望保持15.7%的復(fù)合增速。
目前，全球聚醚胺行業(yè)的最大供應(yīng)商是亨斯邁（產(chǎn)能約12萬(wàn)噸）和巴斯夫（產(chǎn)能約6萬(wàn)噸），合計(jì)產(chǎn)能占比69%。國(guó)內(nèi)有四家企業(yè)擁有聚醚胺產(chǎn)能，分別是正大新材料（3.5萬(wàn)噸）、阿科力（2萬(wàn)噸）、晨化股份（1.8萬(wàn)噸）和皇馬科技（0.4萬(wàn)噸）。萬(wàn)華化學(xué)已建成聚醚胺中試生產(chǎn)線，預(yù)計(jì)在2023年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。各企業(yè)在國(guó)內(nèi)的產(chǎn)能情況如下：
高市場(chǎng)集中度下聚醚胺企業(yè)的議價(jià)能力較高，同時(shí)，由于聚醚胺在風(fēng)電中成本占比不高，下游對(duì)聚醚胺產(chǎn)品的價(jià)格也不敏感，行業(yè)整體的經(jīng)營(yíng)格局較好。
芯材
風(fēng)電葉片中殼體、剪切腹板等重要部件一般采用夾芯結(jié)構(gòu)，通過(guò)此結(jié)構(gòu)將葉片所受的剪切力從表層向內(nèi)部傳遞，提高葉片的載荷能力。
三明治結(jié)構(gòu)的夾芯復(fù)合材料結(jié)合工字梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，是材料和結(jié)構(gòu)共同優(yōu)化的一種設(shè)計(jì)。這種結(jié)構(gòu)受到彎曲載荷時(shí)，其整體剛性主要取決于面板層的性能和兩面板間的距離，距離越大其彎曲剛性越大，而芯材主要承受剪切作用，支持面板不失去穩(wěn)定性。
傳統(tǒng)芯材采用巴沙木。巴沙木主要產(chǎn)自南美，近年因供求關(guān)系緊張推高了風(fēng)電行業(yè)的采購(gòu)價(jià)格。因此，風(fēng)電葉片制造商采用合成材料作為芯材，以減輕巴沙木供應(yīng)緊張的局面。
合成材料芯材主要有PVC結(jié)構(gòu)泡沫材料和PET結(jié)構(gòu)泡沫材料。其中，PVC結(jié)構(gòu)泡沫材料由于應(yīng)用比較成熟，是當(dāng)前使用量最大的結(jié)構(gòu)泡沫材料。
PVC泡沫質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，是一種熱固性材料。其阻燃隔熱性能好，水汽透過(guò)率低，但制作工藝復(fù)雜，成本較高，并且耐高溫性能較差，成型工藝中存在燒焦可能。
PVC泡沫的主要供應(yīng)商為DIAB（戴鉑）、Gurit（固瑞特）、3A（思瑞安）、JSB（杰思比）等。國(guó)內(nèi)有天晟新材、維賽新材料、洛陽(yáng)科博思新材料（隆華科技子公司）。
PET泡沫是一種熱塑性材料，強(qiáng)度高，質(zhì)量輕，電絕緣性優(yōu)越，綜合性能優(yōu)于PVC泡沫，可避免PVC泡沫耐高溫性能差的問(wèn)題。同時(shí)，經(jīng)封孔處理的PET泡沫平板的吸膠量低于PVC泡沫。
廢舊的風(fēng)電葉片大多會(huì)被送到垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行處理，而采用熱塑性PET發(fā)泡材料制造的風(fēng)電葉片非常容易進(jìn)行循環(huán)回收，符合當(dāng)前的環(huán)保方向。此外，PET發(fā)泡材料還具有供應(yīng)穩(wěn)定、性價(jià)比高、材料特性一致等多種優(yōu)勢(shì)。
國(guó)外PET泡沫企業(yè)主要有3A、Armacell、Gurit、DIAB、Nida-core、BASF、米德等。我國(guó)PET發(fā)泡技術(shù)剛起步，理論和工藝實(shí)踐均不成熟，供應(yīng)格局仍由國(guó)外公司主導(dǎo)。
增強(qiáng)材料
增強(qiáng)材料在葉片制作過(guò)程中，用于與樹(shù)脂基體緊密結(jié)合，提高葉片的機(jī)械性能與力學(xué)性能。主要為玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)，二者之和占全球復(fù)合材料市場(chǎng)規(guī)模的90%左右。
2020年中國(guó)玻璃纖維產(chǎn)量超過(guò)540萬(wàn)噸，占據(jù)全球玻璃纖維產(chǎn)量的60%以上。我國(guó)玻璃纖維行業(yè)較集中，中國(guó)巨石、泰山玻纖（中材科技子公司）、重慶國(guó)際合計(jì)占玻纖行業(yè)產(chǎn)能的60%以上。
碳纖維具有耐高溫、耐腐蝕、超高強(qiáng)度、高模量和比重小等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效提高葉片剛度，降低重量，從而降低機(jī)組載荷，使得整機(jī)部件輕量化。碳纖維的密度比玻璃纖維小約30%、強(qiáng)度大40%，尤其是模量高3~8倍。
大型葉片采用碳纖維增強(qiáng)材料可充分發(fā)揮其高彈、輕質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，但其價(jià)格昂貴，為控制成本，當(dāng)前只在風(fēng)電葉片的關(guān)鍵部位使用。
國(guó)外企業(yè)在碳纖維材料中有先發(fā)優(yōu)勢(shì)，2020年全球碳纖維產(chǎn)能17.17萬(wàn)噸，中國(guó)大陸產(chǎn)能僅3.62萬(wàn)噸，占比較低。中國(guó)大陸碳纖維及原絲產(chǎn)能集中度較高，主要有吉林碳谷、中復(fù)神鷹、恒神股份、光威復(fù)材等。其中，吉林碳谷主要研發(fā)低成本大絲束碳纖維原絲，產(chǎn)能位居我國(guó)首位。
涂層
風(fēng)電場(chǎng)的氣候惡劣且風(fēng)電設(shè)備至少要使用20年，為了避免設(shè)備受強(qiáng)光、風(fēng)沙、腐蝕以及高低溫侵襲而影響機(jī)組的安全運(yùn)行，必須用涂層保護(hù)，提升葉片質(zhì)量和使用壽命。
我國(guó)環(huán)氧類防腐涂料占比最高，在30%以上，其次是聚氨酯類涂料，兩者所占比重約為60%。其中，風(fēng)電葉片使用較多的是聚氨酯類涂料。聚氨酯涂層的保護(hù)壽命一般不超過(guò)8年，風(fēng)電機(jī)組使用期間需3次以上的重涂和維修，維護(hù)成本相對(duì)較高。
此外，氟碳涂料的保護(hù)年限可達(dá)20年，在風(fēng)電機(jī)組的使用壽命期，至多只需一次維護(hù)。同時(shí)，氟碳涂料的漆膜年損失量低，涂裝過(guò)程中VOC排放相對(duì)少，比較符合環(huán)保理念。
風(fēng)電葉片用涂料基本由國(guó)外公司主導(dǎo)，如德國(guó)美凱威奇、美國(guó)PPG、德國(guó)巴斯夫等。我國(guó)企業(yè)主要有海隆涂料、麥加芯彩、渝三峽、飛鹿股份等。
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上游材料部分到此結(jié)束，因受篇幅所限，未能完全展開(kāi)，后面有機(jī)會(huì)再對(duì)部分子板塊單獨(dú)展開(kāi)交流。
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