以新求变，“碳”路新质生产力—论竹缠绕、碳纤维技术在风电中的应用前景

      当前全球风电装机规模稳步增长，其中海上风电始终维持高速增长。根据统计数据，2022年全球风电累计装机规模达到906GW，新增装机规模达到77.6GW，其中陆上风电新增装机规模达到68.8GW。基于《十四五现代能源体系规划》，我国“十四五”期间合计规划风电装机规模约307GW，单机容量由2010年的2.6MW提升至2023年的10MW。随着陆上风电的逐渐饱和，风电开始走向深远海、走向大型化、走向周期性成长。

      碳纤维在风电领域的应用主要是风机叶片、机舱、塔筒等部件，其中风机叶片是碳纤维主要的应用部件。风电叶片是风电机组将自然中的风能转化为机械能的关键部件，叶片的结构和材料直接影响到机组的转换效率，同时也是更高效率利用风能和实现更大经济效益的基础。风机叶片趋向大型化能够捕获更多的风能，为提高风机叶片的刚度、耐疲劳、轻质化等参数，使用碳纤维代替玻璃纤维成为必然选择。碳纤维作为轻质、高强度的材料，不仅提升了风机叶片性能，还有助于延长使用寿命、降低维护成本和环境危害等。

      风电叶片是碳纤维需求的主要领域。2021年我国风机叶片所需碳纤维为2.25万吨，渗透率为36.1%。随着碳纤维技术的逐步改进和商用规模成本的下降，碳纤维将逐步取代玻璃纤维，在满足刚度和强度要求下，碳纤维风机叶片将比传统风机叶片轻10%-20%，不仅可有效降低风机叶片的制造和运输成本，同时可利用碳纤维导电性能创造性打造储能叶片，使风机的输出功率更平滑更均衡，有效解决当前风能发电的波动性。

      长期以来风能市场一直是复合材料的最大消费领域。根据调查数据，2035年陆上风机叶片预计将达到130米，随着风机叶片长度的不断增加，碳纤维加强件已成为减少整体重量和增加叶片刚度的最好办法之一，同时碳纤维天然的振动阻尼特性避免了叶片自然频率与塔筒频率发生共振的可能性。

2.竹缠绕竹纤维复合材料应用

      竹纤维是竹材经化学或者机械加工所制得束状、丝状或絮状单元，被誉为“绿色纤维”和“21世纪健康纤维”。与其它木纤维相比，竹材的纤维素含量较低，长径比和表面积较大，纤维缠绕的交织性强，纤维之间的结合强度更大，成为又一替代玻璃纤维的理想材料，同时竹材的绿色可持续、低成本、易于降解等优势让竹缠绕技术的热度经久不息。

      在风力发电领域，竹纤维复合材料因其生物可降解、耐热性、机械性能优异而引起广泛关注。竹纤维复合材料所具有的抗疲劳性能、压缩比均为风机叶片材料的关键参数，因此竹材可以作为风机叶片的主要材料来源，同时得益于竹材纤维的优越性能可打造竹基海工材料，替代登机桥、集装箱、海上固定平台等多层次产品。竹基海工材料经由竹缠绕工艺被加工成海上平台部件，与传统钢结构相比，具有更低的成本、更长的使用寿命、更好的耐腐蚀，不仅减轻了海工平台的重量，同时减少了对海洋环境的影响，更符合我国的减碳的战略目标。

      目前大多数漂浮式海上平台结构主体主要采用钢质焊接结构作为浮体框架，改性聚乙烯作为浮体材料以提供平台浮力，而采用竹缠绕海工管搭建的竹缠绕海上平台比钢质平台减重约30%-40%，具有环境友好性高、耐海水腐蚀、成本低等优势，可有效保护海洋生态环境。

      据统计当前全球风电规模超过70%的海上风电装置使用了碳纤维叶片，不仅增强了对恶劣海洋环境的抵抗力，同时延长了叶片的使用寿命，降低了维护成本，加快了生命周期内的投资回报。

      风电产业链包括原材料供应、制造加工、装备生产到最后的组装、发电、运营。预计未来市场规模将继续增长。欧洲、亚洲和北美地区是主要的碳纤维叶片制造商聚集地，其中中国和印度市场规模显著。行业的市场规模逐步扩大，诸多企业都在向产业链的上下游布局延伸，从上游风电装备的原材料到海工装备制造，产业链的一体化和规模化、生产工艺的改进可以给企业带来更加显著的成本优势。未来风电领域需求的进一步释放，产业链有望进一步延伸，为碳纤维、竹纤维复合材料打开新的局面。

      随着风能行业致力于实现全球可再生能源目标，碳纤维甚至竹纤维复合材料使用率将会进一步增加，伴随着技术工艺的进步，材料强度进一步提升，环境影响进一步下降，有望主导并改变风电产业格局，推动着新型材料在海工装备中的应用不断深入，确保可再生能源的高效未来。