非凡十年·特别報道⑤ | 中(zhōng)國(guó)建材：為(wèi)中(zhōng)國(guó)風電(diàn)插上翅膀

風電(diàn)是清潔、可(kě)再生能(néng)源，近年來，全球都在大力發展風電(diàn)。作(zuò)為(wèi)全球最大風電(diàn)市場，我國(guó)有(yǒu)大約6000多(duō)個風電(diàn)場，超過17萬台風力發電(diàn)機在日夜不停地運轉。

理(lǐ)論上，風電(diàn)葉片越長(cháng)，面積越大，捕獲風能(néng)的能(néng)力就越強，由此對風電(diàn)葉片的發電(diàn)能(néng)力要求也越高。風力發電(diàn)機的葉片長(cháng)90米，風電(diàn)葉片占整個風機投資成本的20%，是風力發電(diàn)機的重要部件之一。截至2021年底，我國(guó)風電(diàn)并網裝(zhuāng)機容量突破3億千瓦，連續12年穩居全球第一。

中(zhōng)材科(kē)技(jì )阜甯工(gōng)廠航拍 

風力發電(diàn)機包含了多(duō)個高技(jì )術含量部件，其中(zhōng)有(yǒu)些部件就是“隐形冠軍”生産(chǎn)的。中(zhōng)材科(kē)技(jì )風電(diàn)葉片股份有(yǒu)限公(gōng)司(下稱“中(zhōng)材葉片”) 江蘇阜甯工(gōng)廠正是亞洲最大的風電(diàn)葉片供應基地。作(zuò)為(wèi)中(zhōng)國(guó)建材集團旗下中(zhōng)材科(kē)技(jì )股份有(yǒu)限公(gōng)司（下稱“中(zhōng)材科(kē)技(jì )”）的全資子公(gōng)司，中(zhōng)材葉片為(wèi)全球許多(duō)頂級風場供應葉片。

中(zhōng)材科(kē)技(jì )目前是我國(guó)最大的風電(diàn)葉片生産(chǎn)企業，也是國(guó)内第二大、世界第三大玻璃纖維生産(chǎn)企業。它是中(zhōng)國(guó)特種纖維複合材料行業最大的集研發設計、産(chǎn)品制造與銷售、成套技(jì )術與裝(zhuāng)備于一體(tǐ)的高新(xīn)技(jì )術企業，是中(zhōng)國(guó)特種纖維複合材料的技(jì )術裝(zhuāng)備研發中(zhōng)心，也是中(zhōng)國(guó)國(guó)防工(gōng)業最大的特種纖維複合材料配套研制基地，引領着中(zhōng)國(guó)特種纖維複合材料的技(jì )術發展方向。

2020年9月，中(zhōng)國(guó)建材集團黨委書記、董事長(cháng)周育先針對中(zhōng)材葉片的下一步工(gōng)作(zuò)提出，要充分(fēn)利用(yòng)高起點優勢，做好風電(diàn)葉片産(chǎn)業的全球化布局，高質(zhì)量推進國(guó)際化工(gōng)作(zuò)；其次要不斷提升公(gōng)司的綜合競争力，積極引領行業發展，做好集團内企業間的産(chǎn)業協同，為(wèi)集團新(xīn)材料産(chǎn)業發展積極貢獻力量。

中(zhōng)國(guó)建材集團在風電(diàn)葉片領域的布局不止于中(zhōng)材葉片。從2008年首個海上風電(diàn)葉片項目啓動以來，中(zhōng)國(guó)建材集團旗下企業連雲港中(zhōng)複連衆複合材料集團有(yǒu)限公(gōng)司（下稱“中(zhōng)複連衆”）在海上風電(diàn)葉片研制上已經走過15個年頭。葉片長(cháng)度從44米增加到110米；工(gōng)藝從碳纖維預浸料發展到碳纖維拉擠技(jì )術；制造裝(zhuāng)備不斷向自動化、智能(néng)化、精(jīng)細化發展，如開發主梁鋪放設備、遙控自動翻轉設備、智能(néng)化根部端面打磨機；測試技(jì )術從2009年國(guó)内首個5MW全自動葉片全尺寸試驗平台到2014年國(guó)内首個12MW全自動葉片測試平台，再到正在建設的20MW全自動葉片全尺寸測試平台，一切都在不斷升級。

不僅如此，更長(cháng)、更大功率葉片正在研發中(zhōng)。

2022年8月30日，全球最長(cháng)123米風電(diàn)葉片在中(zhōng)複連衆成功下線(xiàn)，這是中(zhōng)複連衆在不到一年時間内下線(xiàn)的第四款長(cháng)度超過百米的葉片。

此前，中(zhōng)複連衆成功下線(xiàn)長(cháng)達110米的風電(diàn)葉片YD110，匹配的是目前國(guó)内同等容量單位千瓦掃風面積最大的抗台型機組，發電(diàn)性能(néng)可(kě)提升15%。

風電(diàn)葉片YD110由中(zhōng)複連衆與運達股份合作(zuò)而成。中(zhōng)複連衆副總經理(lǐ)劉衛生介紹，運達股份之所以選擇與中(zhōng)複連衆合作(zuò)，既有(yǒu)兩家長(cháng)期合作(zuò)的因素，也是因為(wèi)中(zhōng)複連衆在大型葉片的設計制造、質(zhì)量控制和試驗檢測等方面具(jù)有(yǒu)領先同行的優勢。

“YD110的成功下線(xiàn)，在促進我國(guó)海上風電(diàn)裝(zhuāng)備制造向‘自動化、智能(néng)化、精(jīng)細化’升級的同時，也将進一步豐富海上風電(diàn)系列平價産(chǎn)品與整體(tǐ)解決方案，帶動深遠(yuǎn)海風電(diàn)發展。”中(zhōng)複連衆黨委書記、董事長(cháng)喬光輝說。

在業内人士看來，我國(guó)海上風電(diàn)葉片“百米級時代”已經到來。随着風電(diàn)葉片不斷刷新(xīn)長(cháng)度，風電(diàn)市場對葉片原材料也提出了更高要求。

與此同時，多(duō)數整機廠都已經擁有(yǒu)了自己的風電(diàn)葉片研發團隊。

中(zhōng)複連衆是國(guó)内最早從事兆瓦級風電(diàn)葉片開發、設計、生産(chǎn)、檢測和服務(wù)的企業。截至目前，中(zhōng)複連衆所供的海上風電(diàn)葉片裝(zhuāng)機規模達到3GW，年發電(diàn)量超過100億千瓦時，可(kě)減排二氧化碳900萬噸。

如今的中(zhōng)國(guó)建材，已經成為(wèi)“海上風葉強者”。

01一長(cháng)再長(cháng)

國(guó)内風電(diàn)發展初期，風機多(duō)裝(zhuāng)于陸上富風區(qū)域。随着富風區(qū)域資源減少和風電(diàn)消納的制約，市場逐漸飽和，加上低風速和海上風電(diàn)技(jì )術的發展，在低風速區(qū)域和海上建風電(diàn)廠已具(jù)備經濟效益。

中(zhōng)材葉片與中(zhōng)複連衆十幾年的成長(cháng)發展曆程，是中(zhōng)國(guó)風電(diàn)産(chǎn)業發展成長(cháng)的縮影。

20世紀下半葉，世界石油危機之後，風能(néng)作(zuò)為(wèi)清潔且高效的可(kě)再生能(néng)源得到迅速發展。

如果将時間回撥到20年前，國(guó)内并沒有(yǒu)兆瓦級風電(diàn)葉片的制造先例。所有(yǒu)關鍵的模具(jù)、工(gōng)裝(zhuāng)設備以及制造工(gōng)藝、原材料都來自歐美國(guó)家。

20世紀80年代，我國(guó)首次引進了三台風力發電(diàn)機組，開始嘗試風力發電(diàn)機組的開發。1996年開始，随着“乘風工(gōng)程”、科(kē)技(jì )支撐計劃等一系列項目的實施，國(guó)内開始發展風電(diàn)技(jì )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。因為(wèi)在複合材料技(jì )術方面有(yǒu)着多(duō)年的技(jì )術積澱，它們決定進軍風電(diàn)葉片領域。

中(zhōng)材科(kē)技(jì )股份有(yǒu)限公(gōng)司黨委書記、董事長(cháng)薛忠民(mín)說：“真正用(yòng)到風電(diàn)葉片，我們還缺氣動設計、結構設計，以及完整的産(chǎn)品設計，咱們要數據庫沒數據庫，要經驗沒經驗，在前幾年，主要精(jīng)力還是在技(jì )術上補短闆，跟跑。”

2005年，北玻院成立了風電(diàn)葉片研發項目組，并決定先派5個人去哈爾濱絕緣材料廠共同開發風電(diàn)葉片。從中(zhōng)關村出發，風電(diàn)葉片研發項目組5個人各自扛着一台電(diàn)腦就出發了，一去便是五個月。

在艱難的條件下，從模具(jù)開發到産(chǎn)品研發，一邊是中(zhōng)材科(kē)技(jì )風電(diàn)葉片研發項目組與哈爾濱絕緣材料廠聯合開發國(guó)内第一套1.2兆瓦的葉片；另一邊是中(zhōng)複連衆在風力機葉片生産(chǎn)線(xiàn)及技(jì )術上的發力。

2005年，中(zhōng)複連衆抓住國(guó)家大力鼓勵和扶持國(guó)内風電(diàn)制造業發展的契機，從德(dé)國(guó)引進1.5兆瓦風力機葉片生産(chǎn)線(xiàn)及技(jì )術，成為(wèi)國(guó)内首家從事兆瓦級葉片制造的企業。

至此，大型葉片在國(guó)内的發展經曆了四個階段，分(fēn)别是制造技(jì )術引進、制造技(jì )術研發、設計技(jì )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(lǐ)念不同，從歐美國(guó)家購(gòu)買的專利技(jì )術到期後還有(yǒu)很(hěn)多(duō)問題需要解決。這些技(jì )術不是照搬照抄就能(néng)解決的，需要企業不斷探索新(xīn)知，擁有(yǒu)自己的核心技(jì )術。

風電(diàn)葉片主要由增強材料、夾芯材料、基體(tǐ)材料、表面塗料及不同部分(fēn)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(tǐ)樹脂。

目前，市面上的增強材料主要由玻璃纖維組成。随着葉片越來越長(cháng)，對材料性能(néng)的要求也在不斷提高。在業内人士看來，傳統的玻璃纖維材料急需性能(néng)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(zhì)量輕、強度高、模量高、耐腐蝕、抗疲勞等，是一種常常被應用(yòng)于航空航天、基礎設施、工(gōng)業領域的碳主鏈結構的高性能(néng)纖維材料。

采用(yòng)碳纖維的葉片不僅有(yǒu)效減輕了葉片質(zhì)量，還提高了葉片剛度和強度。

據了解，主梁一般會占風電(diàn)葉片整體(tǐ)重量的三分(fēn)之一，是支撐整支葉片的關鍵構件。使用(yòng)碳纖維主梁，能(néng)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(tǐ)重量。

早在2014年，中(zhōng)複連衆就下線(xiàn)了應用(yòng)碳纖維主梁的75米葉片，采用(yòng)真空導入工(gōng)藝。之後，該企業又(yòu)采用(yòng)碳纖維預浸料制造碳纖維主梁。

目前，中(zhōng)複連衆自主開發的76米碳纖維預浸料主梁葉片已生産(chǎn)220套；由某整機商(shāng)提供設計的90米碳纖維預浸料主梁葉片，共生産(chǎn)44套。“中(zhōng)複連衆正在研發其他(tā)碳纖維利用(yòng)技(jì )術，為(wèi)整機商(shāng)制造超百米級的碳纖維葉片。”劉衛生介紹。

在對引進技(jì )術消化吸收後，中(zhōng)複連衆形成了涵蓋葉片設計、材料測試評價、關鍵工(gōng)裝(zhuāng)設備開發、葉片制造及全尺寸結構試驗等完善的技(jì )術創新(xīn)體(tǐ)系。

123米葉片下線(xiàn)

中(zhōng)複連衆不斷攻克更高強度的葉根連接技(jì )術，實現了将特定直徑葉根承載能(néng)力提升20%的重大突破。中(zhōng)複連衆現有(yǒu)9個系列140餘個型号的産(chǎn)品，量産(chǎn)的葉片最大長(cháng)度已經超過120米。

02國(guó)産(chǎn)化替代

2006年1月1日，《可(kě)再生能(néng)源法》實施。在一系列國(guó)家政策支持下，中(zhōng)國(guó)風電(diàn)市場規模迅速擴大，裝(zhuāng)機容量快速增長(cháng)，同時也帶動了風電(diàn)葉片行業的迅速發展。

正是在這個時期，中(zhōng)材科(kē)技(jì )風電(diàn)葉片股份有(yǒu)限公(gōng)司在北玻院的基礎上組建成立。

風電(diàn)葉片，從研發到批量生産(chǎn)，是一個艱難的過程。

中(zhōng)材葉片技(jì )術總監魯曉鋒說：“葉片看起來簡單，但實際上工(gōng)藝很(hěn)複雜，設計和制作(zuò)都很(hěn)難。結構上，葉片實際上是個懸臂梁，一端固定、一端自由，看着是剛性的，實際上風來了以後，它得往一邊繞一下，整個是比較複雜的結構設計，葉片越大越容易彎曲，所以需要抗彎，在大的同時，又(yòu)要重量輕。”

臨近2007年春節，原本是高興的日子，中(zhōng)材葉片風電(diàn)項目組團隊成員之間恨不得見了面就要打架，因為(wèi)有(yǒu)争論、有(yǒu)分(fēn)歧。

“當時真的陷入了迷茫之中(zhōng)。” 薛忠民(mín)說，“有(yǒu)那麽一兩個月陷入了停頓狀态，出一支葉片的主梁，有(yǒu)皺褶，出一支報廢一支。主梁發揮主承力作(zuò)用(yòng)，所以它有(yǒu)點皺褶，将來有(yǒu)可(kě)能(néng)就是破壞點。”

報廢一個梁就是一二十萬，相當于報廢了一輛小(xiǎo)轎車(chē)。頂着高壓經過近半年的痛苦磨煉，中(zhōng)材葉片第一支可(kě)批量生産(chǎn)的40.25米葉片終于試制成功，這是當年我國(guó)自主研發和制造的國(guó)内最長(cháng)的風電(diàn)葉片。中(zhōng)材葉片創新(xīn)性地把液體(tǐ)成型技(jì )術應用(yòng)于風電(diàn)葉片的生産(chǎn)制造，徹底改變了葉片行業原來傳統的手糊制作(zuò)方式。在跨過了這個關鍵門檻之後，中(zhōng)材葉片開始走上了發展的道路。

在不同的時代，風電(diàn)葉片面臨的挑戰也不同。受全球新(xīn)冠肺炎疫情影響，全球大宗商(shāng)品不斷漲價，其中(zhōng)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(diàn)葉片領域需求量的不斷提高。有(yǒu)統計信息顯示，2016年，碳纖維材料在風電(diàn)葉片領域以1.8萬噸的需求量取代航空航天，成為(wèi)全球碳纖維市場需求最大的領域。2021年，全球風電(diàn)葉片碳纖維使用(yòng)量為(wèi)3萬噸，中(zhōng)國(guó)風電(diàn)葉片用(yòng)碳纖維需求量高達2萬噸，占全國(guó)碳纖維需求總量的40%左右。

據全球碳纖維複合材料市場報告測算，随着全球對清潔能(néng)源需求的不斷增長(cháng)，到2025年，風電(diàn)碳纖維需求量将達到9.73萬噸，增長(cháng)率達到210.8%。

有(yǒu)業内人士透露，實際上，我國(guó)碳纖維市場供應仍然較為(wèi)依賴進口，除了碳纖維本身的性能(néng)外，影響碳纖維增強複合材料性能(néng)的還有(yǒu)結構膠和樹脂的配方，并且涉及複雜的生産(chǎn)過程和固化工(gōng)藝。

随着原材料價格的上漲，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模化應用(yòng)。

其實早在2015年，中(zhōng)材葉片已開發了一款長(cháng)達77米的海上碳纖維主梁葉片。“77米的葉片在當時是最長(cháng)的葉片之一， 現在還在江蘇運行。”中(zhōng)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(xiàn)，原因是中(zhōng)國(guó)建材集團全資子公(gōng)司泰山(shān)玻璃纖維有(yǒu)限公(gōng)司（下稱“泰山(shān)玻纖”）推出了新(xīn)一代的高模玻璃纖維。至此，中(zhōng)材葉片開始使用(yòng)高模拉擠玻纖梁，推出了80米以上級别的全玻纖葉片。

目前，中(zhōng)材葉片采用(yòng)了最先進的高性能(néng)翼型和碳纖維拉擠技(jì )術研發最新(xīn)海上葉片。與此同時，中(zhōng)複連衆也在不斷優化設計和工(gōng)藝方案，來控制葉片生産(chǎn)制造成本。

中(zhōng)複連衆由此推出了PSC拉擠主梁葉片、SRU預埋葉根、LPV2雷電(diàn)系統、高性能(néng)降噪鋸齒等新(xīn)技(jì )術，解決了一些風電(diàn)葉片大型化卡脖子難題。

以PSC拉擠主梁葉片為(wèi)例，将拉擠工(gōng)藝應用(yòng)在玻璃纖維主梁的制造上發現，玻璃纖維拉擠主梁與玻璃纖維灌注主梁相比有(yǒu)諸多(duō)優勢，包括效率高、成本低、質(zhì)量穩定性好，且不用(yòng)改變葉片設計，不需要增加模具(jù)和輔料等。

可(kě)以說，拉擠玻璃纖維主梁不斷續寫葉片長(cháng)度的記錄，推高碳纖維在葉片上應用(yòng)的最佳性價比長(cháng)度，成為(wèi)碳纖維最有(yǒu)力的競争者，除非碳纖維材料成本能(néng)夠得到一定降低，或是拉擠玻璃纖維主梁技(jì )術發展遇到新(xīn)的瓶頸。

據統計，目前具(jù)備拉擠複合材料闆材研發、生産(chǎn)制造能(néng)力的生産(chǎn)廠、葉片廠商(shāng)以及行業内其他(tā)第三方設計機構接近30家。還有(yǒu)部分(fēn)企業選擇了一條折中(zhōng)的技(jì )術研發方向，即碳玻混主梁葉片。這是一種将碳纖維與玻璃纖維混合拉擠成型的新(xīn)材料，主要應用(yòng)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(néng)優點。

碳玻混拉擠葉片相比玻璃纖維葉片要求更精(jīng)細的生産(chǎn)管控水平，包括針對結構強度和防雷系統的生産(chǎn)工(gōng)藝流程。同時，也需要更高的打磨精(jīng)度和防雷系統接口的工(gōng)藝控制。與相同規格傳統工(gōng)藝的玻璃纖維葉片相比，碳玻混主梁葉片可(kě)減重20%，但由于使用(yòng)了一部分(fēn)碳纖維材料，目前相比玻璃纖維主梁葉片無法實現降本。

03整裝(zhuāng)升級

YD110葉片的探索遠(yuǎn)不止此。

中(zhōng)複連衆在材料體(tǐ)系篩選、片材設計、細節結構設計上進行優化創新(xīn)，使它既擁有(yǒu)高Cp（風能(néng)利用(yòng)系數）、抗失速等優良的氣動性能(néng)，又(yòu)具(jù)有(yǒu)高可(kě)制造性、可(kě)靠性和性價比。

在材料方面，與玻璃纖維相比，采用(yòng)碳纖維可(kě)以大大降低葉片重量，但成本較高。中(zhōng)複連衆創造性地根據葉片受力特點，在PS面（迎風面）和SS面（背風面）分(fēn)别采用(yòng)碳纖維與玻璃纖維增強材料的結構設計，充分(fēn)發揮兩種材料的性能(néng)優勢，兼顧減重和成本控制，達到材料的最佳性價比。

在工(gōng)藝創新(xīn)上，2019年，中(zhōng)複連衆在國(guó)内率先将玻璃纖維拉擠闆成功批量應用(yòng)于40米葉片上，110米葉片則沿用(yòng)了中(zhōng)複連衆在這一技(jì )術上積累的經驗。

此次YD110采用(yòng)的拉擠工(gōng)藝也是目前複合材料工(gōng)藝中(zhōng)纖維性能(néng)轉化效率最高、低成本、高質(zhì)量穩定的制造工(gōng)藝，連續成型易于自動化，适用(yòng)于大批量生産(chǎn)。

葉片大梁由碳纖維拉擠片材組裝(zhuāng)而成，鋪層工(gōng)藝簡單，能(néng)夠有(yǒu)效解決真空灌注工(gōng)藝材料性能(néng)偏低、易出現褶皺和灌注不良等缺陷問題，且制作(zuò)時間隻有(yǒu)灌注工(gōng)藝的一半。組裝(zhuāng)後的葉片大梁可(kě)以與葉片殼體(tǐ)一體(tǐ)灌注，對提高風電(diàn)葉片質(zhì)量、減重降載發揮了關鍵作(zuò)用(yòng)。

另外，考慮到葉片的長(cháng)度和重量，不同于以往的“主梁+後緣輔梁”結構，YD110葉片采用(yòng)了創新(xīn)的結構及同步預制技(jì )術，減少了大面積多(duō)種類纖維布鋪放對主模具(jù)的占用(yòng)，同時提升了現場鋪層質(zhì)量的穩定性。

海上風電(diàn)葉片大型化導緻葉片重量的增加，葉根需要承受越來越大的載荷，提高葉根連接強度可(kě)以減少螺栓數量、縮小(xiǎo)根部直徑，實現葉片的減重和降本，并具(jù)有(yǒu)高可(kě)靠性。

通過與國(guó)外機構合作(zuò)，對多(duō)項制造工(gōng)差及影響因素進行研究，中(zhōng)複連衆在全球首次完成生産(chǎn)安(ān)全因子γm3=1.0的風電(diàn)葉片根部連接設計、測試評價方法研究以及部件認證，采用(yòng)根部預埋螺栓套自動纏紗技(jì )術，有(yǒu)效控制了纏紗張力和外形尺寸，大幅提升葉根質(zhì)量和預埋螺栓套的承載力，為(wèi)未來更大的海上風電(diàn)葉片開發奠定了基礎。

此外，在模具(jù)設計制造技(jì )術創新(xīn)方面，YD110葉片所用(yòng)到的水加熱模具(jù)也創造了最長(cháng)紀錄，在确保可(kě)靠性高、溫差小(xiǎo)的同時，實現了分(fēn)區(qū)、分(fēn)段控溫和自動控制。

近年來，中(zhōng)複連衆持續完善科(kē)技(jì )創新(xīn)體(tǐ)制機制，不斷提升科(kē)技(jì )創新(xīn)能(néng)力。2022年1-7月，研發經費投入占比4.61%。2022年4月20日，中(zhōng)複連衆南京研發中(zhōng)心正式啓用(yòng)，标志(zhì)着中(zhōng)複連衆在已有(yǒu)的5個國(guó)家級、省級技(jì )術創新(xīn)平台的基礎上，又(yòu)增加1個創新(xīn)平台。

目前，中(zhōng)複連衆已經建成江蘇省海上風電(diàn)葉片設計與制造技(jì )術重點實驗室，形成設計、制造、檢測、運維等全産(chǎn)業鏈的解決方案，努力助力行業發展。