風電是清潔、可再生能源，近年來，全球都在大力發(fā)展風電。作為全球最大風電市場，我國有大約6000多個風電場，超過17萬臺風力發(fā)電機在日夜不停地運轉。

理論上，風電葉片越長，面積越大，捕獲風能的能力就越強，由此對風電葉片的發(fā)電能力要求也越高。風力發(fā)電機的葉片長90米，風電葉片占整個風機投資成本的20%，是風力發(fā)電機的重要部件之一。截至2021年底，我國風電并網(wǎng)裝機容量突破3億千瓦，連續(xù)12年穩(wěn)居全球第一。

中材科技阜寧工廠航拍 

風力發(fā)電機包含了多個高技術含量部件，其中有些部件就是“隱形冠軍”生產(chǎn)的。中材科技風電葉片股份有限公司(下稱“中材葉片”) 江蘇阜寧工廠正是亞洲最大的風電葉片供應基地。作為中國建材集團旗下中材科技股份有限公司（下稱“中材科技”）的全資子公司，中材葉片為全球許多頂級風場供應葉片。

中材科技目前是我國最大的風電葉片生產(chǎn)企業(yè)，也是國內第二大、世界第三大玻璃纖維生產(chǎn)企業(yè)。它是中國特種纖維復合材料行業(yè)最大的集研發(fā)設計、產(chǎn)品制造與銷售、成套技術與裝備于一體的高新技術企業(yè)，是中國特種纖維復合材料的技術裝備研發(fā)中心，也是中國國防工業(yè)最大的特種纖維復合材料配套研制基地，引領著中國特種纖維復合材料的技術發(fā)展方向。

2020年9月，中國建材集團黨委書記、董事長周育先針對中材葉片的下一步工作提出，要充分利用高起點優(yōu)勢，做好風電葉片產(chǎn)業(yè)的全球化布局，高質量推進國際化工作；其次要不斷提升公司的綜合競爭力，積極引領行業(yè)發(fā)展，做好集團內企業(yè)間的產(chǎn)業(yè)協(xié)同，為集團新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展積極貢獻力量。

中國建材集團在風電葉片領域的布局不止于中材葉片。從2008年首個海上風電葉片項目啟動以來，中國建材集團旗下企業(yè)連云港中復連眾復合材料集團有限公司（下稱“中復連眾”）在海上風電葉片研制上已經(jīng)走過15個年頭。葉片長度從44米增加到110米；工藝從碳纖維預浸料發(fā)展到碳纖維拉擠技術；制造裝備不斷向自動化、智能化、精細化發(fā)展，如開發(fā)主梁鋪放設備、遙控自動翻轉設備、智能化根部端面打磨機；測試技術從2009年國內首個5MW全自動葉片全尺寸試驗平臺到2014年國內首個12MW全自動葉片測試平臺，再到正在建設的20MW全自動葉片全尺寸測試平臺，一切都在不斷升級。

不僅如此，更長、更大功率葉片正在研發(fā)中。

2022年8月30日，全球最長123米風電葉片在中復連眾成功下線，這是中復連眾在不到一年時間內下線的第四款長度超過百米的葉片。

此前，中復連眾成功下線長達110米的風電葉片YD110，匹配的是目前國內同等容量單位千瓦掃風面積最大的抗臺型機組，發(fā)電性能可提升15%。

風電葉片YD110由中復連眾與運達股份合作而成。中復連眾副總經(jīng)理劉衛(wèi)生介紹，運達股份之所以選擇與中復連眾合作，既有兩家長期合作的因素，也是因為中復連眾在大型葉片的設計制造、質量控制和試驗檢測等方面具有領先同行的優(yōu)勢。

“YD110的成功下線，在促進我國海上風電裝備制造向‘自動化、智能化、精細化’升級的同時，也將進一步豐富海上風電系列平價產(chǎn)品與整體解決方案，帶動深遠海風電發(fā)展?！敝袕瓦B眾黨委書記、董事長喬光輝說。

在業(yè)內人士看來，我國海上風電葉片“百米級時代”已經(jīng)到來。隨著風電葉片不斷刷新長度，風電市場對葉片原材料也提出了更高要求。

與此同時，多數(shù)整機廠都已經(jīng)擁有了自己的風電葉片研發(fā)團隊。

中復連眾是國內最早從事兆瓦級風電葉片開發(fā)、設計、生產(chǎn)、檢測和服務的企業(yè)。截至目前，中復連眾所供的海上風電葉片裝機規(guī)模達到3GW，年發(fā)電量超過100億千瓦時，可減排二氧化碳900萬噸。

如今的中國建材，已經(jīng)成為“海上風葉強者”。

01一長再長

國內風電發(fā)展初期，風機多裝于陸上富風區(qū)域。隨著富風區(qū)域資源減少和風電消納的制約，市場逐漸飽和，加上低風速和海上風電技術的發(fā)展，在低風速區(qū)域和海上建風電廠已具備經(jīng)濟效益。

中材葉片與中復連眾十幾年的成長發(fā)展歷程，是中國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展成長的縮影。

20世紀下半葉，世界石油危機之后，風能作為清潔且高效的可再生能源得到迅速發(fā)展。

如果將時間回撥到20年前，國內并沒有兆瓦級風電葉片的制造先例。所有關鍵的模具、工裝設備以及制造工藝、原材料都來自歐美國家。

20世紀80年代，我國首次引進了三臺風力發(fā)電機組，開始嘗試風力發(fā)電機組的開發(fā)。1996年開始，隨著“乘風工程”、科技支撐計劃等一系列項目的實施，國內開始發(fā)展風電技術。

也正是在那個時候，北京玻璃鋼研究設計院（下稱“北玻院”）開始改制成企業(yè)。因為在復合材料技術方面有著多年的技術積淀，它們決定進軍風電葉片領域。

中材科技股份有限公司黨委書記、董事長薛忠民說：“真正用到風電葉片，我們還缺氣動設計、結構設計，以及完整的產(chǎn)品設計，咱們要數(shù)據(jù)庫沒數(shù)據(jù)庫，要經(jīng)驗沒經(jīng)驗，在前幾年，主要精力還是在技術上補短板，跟跑?！?/p>

2005年，北玻院成立了風電葉片研發(fā)項目組，并決定先派5個人去哈爾濱絕緣材料廠共同開發(fā)風電葉片。從中關村出發(fā)，風電葉片研發(fā)項目組5個人各自扛著一臺電腦就出發(fā)了，一去便是五個月。

在艱難的條件下，從模具開發(fā)到產(chǎn)品研發(fā)，一邊是中材科技風電葉片研發(fā)項目組與哈爾濱絕緣材料廠聯(lián)合開發(fā)國內第一套1.2兆瓦的葉片；另一邊是中復連眾在風力機葉片生產(chǎn)線及技術上的發(fā)力。

2005年，中復連眾抓住國家大力鼓勵和扶持國內風電制造業(yè)發(fā)展的契機，從德國引進1.5兆瓦風力機葉片生產(chǎn)線及技術，成為國內首家從事兆瓦級葉片制造的企業(yè)。

至此，大型葉片在國內的發(fā)展經(jīng)歷了四個階段，分別是制造技術引進、制造技術研發(fā)、設計技術起步和全面自主設計。

因風資源特性的差異，以及葉片設計、制造理念不同，從歐美國家購買的專利技術到期后還有很多問題需要解決。這些技術不是照搬照抄就能解決的，需要企業(yè)不斷探索新知，擁有自己的核心技術。

風電葉片主要由增強材料、夾芯材料、基體材料、表面涂料及不同部分之間的結構膠組成。葉片80%以上的成本來自原材料，而60%的原材料成本來自增強材料與基體樹脂。

目前，市面上的增強材料主要由玻璃纖維組成。隨著葉片越來越長，對材料性能的要求也在不斷提高。在業(yè)內人士看來，傳統(tǒng)的玻璃纖維材料急需性能更強的材料替代，而碳纖維是目前最佳的材料之一。碳纖維的主要特征是質量輕、強度高、模量高、耐腐蝕、抗疲勞等，是一種常常被應用于航空航天、基礎設施、工業(yè)領域的碳主鏈結構的高性能纖維材料。

采用碳纖維的葉片不僅有效減輕了葉片質量，還提高了葉片剛度和強度。

據(jù)了解，主梁一般會占風電葉片整體重量的三分之一，是支撐整支葉片的關鍵構件。使用碳纖維主梁，能夠在最大程度控制成本的前提下，保證葉片強度和剛度，降低整體重量。

早在2014年，中復連眾就下線了應用碳纖維主梁的75米葉片，采用真空導入工藝。之后，該企業(yè)又采用碳纖維預浸料制造碳纖維主梁。

目前，中復連眾自主開發(fā)的76米碳纖維預浸料主梁葉片已生產(chǎn)220套；由某整機商提供設計的90米碳纖維預浸料主梁葉片，共生產(chǎn)44套?！爸袕瓦B眾正在研發(fā)其他碳纖維利用技術，為整機商制造超百米級的碳纖維葉片?！眲⑿l(wèi)生介紹。

在對引進技術消化吸收后，中復連眾形成了涵蓋葉片設計、材料測試評價、關鍵工裝設備開發(fā)、葉片制造及全尺寸結構試驗等完善的技術創(chuàng)新體系。

123米葉片下線

中復連眾不斷攻克更高強度的葉根連接技術，實現(xiàn)了將特定直徑葉根承載能力提升20%的重大突破。中復連眾現(xiàn)有9個系列140余個型號的產(chǎn)品，量產(chǎn)的葉片最大長度已經(jīng)超過120米。

02國產(chǎn)化替代

2006年1月1日，《可再生能源法》實施。在一系列國家政策支持下，中國風電市場規(guī)模迅速擴大，裝機容量快速增長，同時也帶動了風電葉片行業(yè)的迅速發(fā)展。

正是在這個時期，中材科技風電葉片股份有限公司在北玻院的基礎上組建成立。

風電葉片，從研發(fā)到批量生產(chǎn)，是一個艱難的過程。

中材葉片技術總監(jiān)魯曉鋒說：“葉片看起來簡單，但實際上工藝很復雜，設計和制作都很難。結構上，葉片實際上是個懸臂梁，一端固定、一端自由，看著是剛性的，實際上風來了以后，它得往一邊繞一下，整個是比較復雜的結構設計，葉片越大越容易彎曲，所以需要抗彎，在大的同時，又要重量輕。”

臨近2007年春節(jié)，原本是高興的日子，中材葉片風電項目組團隊成員之間恨不得見了面就要打架，因為有爭論、有分歧。

“當時真的陷入了迷茫之中?！?薛忠民說，“有那么一兩個月陷入了停頓狀態(tài)，出一支葉片的主梁，有皺褶，出一支報廢一支。主梁發(fā)揮主承力作用，所以它有點皺褶，將來有可能就是破壞點?！?/p>

報廢一個梁就是一二十萬，相當于報廢了一輛小轎車。頂著高壓經(jīng)過近半年的痛苦磨煉，中材葉片第一支可批量生產(chǎn)的40.25米葉片終于試制成功，這是當年我國自主研發(fā)和制造的國內最長的風電葉片。中材葉片創(chuàng)新性地把液體成型技術應用于風電葉片的生產(chǎn)制造，徹底改變了葉片行業(yè)原來傳統(tǒng)的手糊制作方式。在跨過了這個關鍵門檻之后，中材葉片開始走上了發(fā)展的道路。

在不同的時代，風電葉片面臨的挑戰(zhàn)也不同。受全球新冠肺炎疫情影響，全球大宗商品不斷漲價，其中也包括碳纖維。

一邊是原材料價格上漲，一邊是碳纖維材料在風電葉片領域需求量的不斷提高。有統(tǒng)計信息顯示，2016年，碳纖維材料在風電葉片領域以1.8萬噸的需求量取代航空航天，成為全球碳纖維市場需求最大的領域。2021年，全球風電葉片碳纖維使用量為3萬噸，中國風電葉片用碳纖維需求量高達2萬噸，占全國碳纖維需求總量的40%左右。

據(jù)全球碳纖維復合材料市場報告測算，隨著全球對清潔能源需求的不斷增長，到2025年，風電碳纖維需求量將達到9.73萬噸，增長率達到210.8%。

有業(yè)內人士透露，實際上，我國碳纖維市場供應仍然較為依賴進口，除了碳纖維本身的性能外，影響碳纖維增強復合材料性能的還有結構膠和樹脂的配方，并且涉及復雜的生產(chǎn)過程和固化工藝。

隨著原材料價格的上漲，碳纖維葉片的性價比大打折扣，過高的價格影響碳纖維葉片進一步規(guī)?；瘧?。

其實早在2015年，中材葉片已開發(fā)了一款長達77米的海上碳纖維主梁葉片?！?7米的葉片在當時是最長的葉片之一， 現(xiàn)在還在江蘇運行。”中材葉片相關人員介紹，“實際上，77米碳纖維主梁葉片的設計在2013年就開始了。”

之所以77米的海上碳纖維主梁葉片在2015年才下線，原因是中國建材集團全資子公司泰山玻璃纖維有限公司（下稱“泰山玻纖”）推出了新一代的高模玻璃纖維。至此，中材葉片開始使用高模拉擠玻纖梁，推出了80米以上級別的全玻纖葉片。

目前，中材葉片采用了最先進的高性能翼型和碳纖維拉擠技術研發(fā)最新海上葉片。與此同時，中復連眾也在不斷優(yōu)化設計和工藝方案，來控制葉片生產(chǎn)制造成本。

中復連眾由此推出了PSC拉擠主梁葉片、SRU預埋葉根、LPV2雷電系統(tǒng)、高性能降噪鋸齒等新技術，解決了一些風電葉片大型化卡脖子難題。

以PSC拉擠主梁葉片為例，將拉擠工藝應用在玻璃纖維主梁的制造上發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維拉擠主梁與玻璃纖維灌注主梁相比有諸多優(yōu)勢，包括效率高、成本低、質量穩(wěn)定性好，且不用改變葉片設計，不需要增加模具和輔料等。

可以說，拉擠玻璃纖維主梁不斷續(xù)寫葉片長度的記錄，推高碳纖維在葉片上應用的最佳性價比長度，成為碳纖維最有力的競爭者，除非碳纖維材料成本能夠得到一定降低，或是拉擠玻璃纖維主梁技術發(fā)展遇到新的瓶頸。

據(jù)統(tǒng)計，目前具備拉擠復合材料板材研發(fā)、生產(chǎn)制造能力的生產(chǎn)廠、葉片廠商以及行業(yè)內其他第三方設計機構接近30家。還有部分企業(yè)選擇了一條折中的技術研發(fā)方向，即碳?；熘髁喝~片。這是一種將碳纖維與玻璃纖維混合拉擠成型的新材料，主要應用于主梁。碳玻混主梁葉片綜合了玻璃纖維的低成本和碳纖維的高性能優(yōu)點。

碳?；炖瓟D葉片相比玻璃纖維葉片要求更精細的生產(chǎn)管控水平，包括針對結構強度和防雷系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝流程。同時，也需要更高的打磨精度和防雷系統(tǒng)接口的工藝控制。與相同規(guī)格傳統(tǒng)工藝的玻璃纖維葉片相比，碳?；熘髁喝~片可減重20%，但由于使用了一部分碳纖維材料，目前相比玻璃纖維主梁葉片無法實現(xiàn)降本。

03整裝升級

YD110葉片的探索遠不止此。

中復連眾在材料體系篩選、片材設計、細節(jié)結構設計上進行優(yōu)化創(chuàng)新，使它既擁有高Cp（風能利用系數(shù)）、抗失速等優(yōu)良的氣動性能，又具有高可制造性、可靠性和性價比。

在材料方面，與玻璃纖維相比，采用碳纖維可以大大降低葉片重量，但成本較高。中復連眾創(chuàng)造性地根據(jù)葉片受力特點，在PS面（迎風面）和SS面（背風面）分別采用碳纖維與玻璃纖維增強材料的結構設計，充分發(fā)揮兩種材料的性能優(yōu)勢，兼顧減重和成本控制，達到材料的最佳性價比。

在工藝創(chuàng)新上，2019年，中復連眾在國內率先將玻璃纖維拉擠板成功批量應用于40米葉片上，110米葉片則沿用了中復連眾在這一技術上積累的經(jīng)驗。

此次YD110采用的拉擠工藝也是目前復合材料工藝中纖維性能轉化效率最高、低成本、高質量穩(wěn)定的制造工藝，連續(xù)成型易于自動化，適用于大批量生產(chǎn)。

葉片大梁由碳纖維拉擠片材組裝而成，鋪層工藝簡單，能夠有效解決真空灌注工藝材料性能偏低、易出現(xiàn)褶皺和灌注不良等缺陷問題，且制作時間只有灌注工藝的一半。組裝后的葉片大梁可以與葉片殼體一體灌注，對提高風電葉片質量、減重降載發(fā)揮了關鍵作用。

另外，考慮到葉片的長度和重量，不同于以往的“主梁+后緣輔梁”結構，YD110葉片采用了創(chuàng)新的結構及同步預制技術，減少了大面積多種類纖維布鋪放對主模具的占用，同時提升了現(xiàn)場鋪層質量的穩(wěn)定性。

海上風電葉片大型化導致葉片重量的增加，葉根需要承受越來越大的載荷，提高葉根連接強度可以減少螺栓數(shù)量、縮小根部直徑，實現(xiàn)葉片的減重和降本，并具有高可靠性。

通過與國外機構合作，對多項制造工差及影響因素進行研究，中復連眾在全球首次完成生產(chǎn)安全因子γm3=1.0的風電葉片根部連接設計、測試評價方法研究以及部件認證，采用根部預埋螺栓套自動纏紗技術，有效控制了纏紗張力和外形尺寸，大幅提升葉根質量和預埋螺栓套的承載力，為未來更大的海上風電葉片開發(fā)奠定了基礎。

此外，在模具設計制造技術創(chuàng)新方面，YD110葉片所用到的水加熱模具也創(chuàng)造了最長紀錄，在確?？煽啃愿摺夭钚〉耐瑫r，實現(xiàn)了分區(qū)、分段控溫和自動控制。

近年來，中復連眾持續(xù)完善科技創(chuàng)新體制機制，不斷提升科技創(chuàng)新能力。2022年1-7月，研發(fā)經(jīng)費投入占比4.61%。2022年4月20日，中復連眾南京研發(fā)中心正式啟用，標志著中復連眾在已有的5個國家級、省級技術創(chuàng)新平臺的基礎上，又增加1個創(chuàng)新平臺。

目前，中復連眾已經(jīng)建成江蘇省海上風電葉片設計與制造技術重點實驗室，形成設計、制造、檢測、運維等全產(chǎn)業(yè)鏈的解決方案，努力助力行業(yè)發(fā)展。