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国家大力推动新能源高质量发展,复合材料迎来新机遇
发布时间:2024-03-04
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       习总书记在2月29日主持中央政治局集体学习时强调,能源安全事关经济社会发展全局。积极发展清洁能源,推动经济社会绿色低碳转型,已经成为国际社会应对全球气候变化的普遍共识。我们要顺势而为、乘势而上,以更大力度推动我国新能源高质量发展,为中国式现代化建设提供安全可靠的能源保障,为共建清洁美丽的世界作出更大贡献。


       新能源产业作为当下最为火热的领域之一,能在很大程度上解决未来国家的能源问题,其发展潜力无比巨大。复合材料产业是国家鼓励的基础性战略性新兴产业,自2000年至今,国家密集出台多项产业政策支持复合材料产业的发展。发改委、科技部、工信部等部门均加大了支持力度。

 

       2022年,工信部、科学技术部、自然资源部联合发布《“十四五”原材料工业发展规划》明确:“提升先进制造基础零部件用钢、高强铝合金、稀有稀贵金属材料、特种工程塑料、高性能膜材料、纤维新材料、复合材料等综合竞争力。“


       复合材料光伏支架迎来新机遇


       太阳能光伏支架作为光伏产业链的配套产品,其安全性、适用性以及耐久性成为光伏系统在发电有效期内安全服役的关键因素。

 

       目前,太阳能光伏支架材质主要为载重很大的金属,常用的材料有热浸镀锌钢、不锈钢与铝合金,且太阳能电池组件一般均安装于室外,因此传统支架极易遭受腐蚀、生锈及盐害等问题,同时在多组件组装时,载重大给安装带来了较多不便。因此支架的耐久性和轻量化是未来趋势。


       近年来,树脂基复合材料轻质高强、耐腐蚀、耐老化、电气绝缘性好及材料各向异性等特性已被人们逐步认识,随着对复合材料的研究逐步深入,其应用越来越广。


       复合材料成为风电领域中的关键材料


       作为复合材料重要的终端市场,风电是当前玻璃纤维及碳纤维最大下游需求来源之一。风力发电产业的发展直接影响复合材料行业的市场规模,进而影响企业收入规模。


       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,可再生能源需求持续增长的趋势具备确定性。风能凭借其资源总量丰富、环保、运行管理自动化程度高、度电成本持续降低等突出的资源禀赋优势与良好的发展趋势,目前已成为开发和应用最为广泛的可再生能源之一,是全球可再生能源开发与利用的重要构成,其发展正逐渐从补充性能源向替代性能源持续转变,其应用是推动能源结构优化、能源低碳化的重要驱动力,是实现“碳达峰”、“碳中和”目标的主要实现路径之一。

 

       风电叶片主要由树脂基体(36%)、增强材料(28%)、芯材(12%)、粘接剂(11%)等组成,树脂基体主要提供叶片的韧性与耐久度,增强纤维材料则主要提供叶片结构的刚度与强度。增强纤维材料包括玻璃纤维和碳纤维等,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。此外,风机的输出功率也更加平稳均衡、运行效率更高,由于碳纤维的抗疲劳性较高,因此还可以延长叶片的生命周期,降低日常维护费用等综合成本。


       复合材料在氢能源产业的应用越来越广泛


       目前,国内外都特别关注氢能的研究。氢能是一种清洁能源,易于获得,燃烧能效高,无污染。由于氢能的高效和无污染,被列为21世纪具有发展潜力的清洁能源。


       IV型储氢瓶性能优异,预计未来将主导国内车载储氢市场。目前已商业化生产的储氢瓶可分为四种,其中具备长期发展潜力的要属III型(铝内胆碳纤维全缠绕气瓶)和IV型瓶(塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶),两者都适用于车载移动储氢等移动场景,但IV型瓶在轻量化、储氢密度、容积规格等方面性能更优,预计后续将作为主流瓶型广泛运用。国外目前已开始商业化生产和使用70MPaIV型瓶,而我国现阶段仍以35MPa III型瓶的应用为主,但随着技术进步、叠加配套政策体系及基础设施逐渐完善,国内也将逐步向70MPa IV型瓶过渡。


       碳纤维技术在氢能源行业有着广泛的应用前景,其中,碳纤维缠绕复合材料储氢气瓶被看作氢能储运的重要技术。碳纤维技术的提升,将助力氢能产业发展。


       先进复合材料在氢能的主要应用就在于氢能的储存容器中。碳纤维复合材料的复合气瓶可以达到70MPa,单位储氢的能量密度大幅增加,对于氢能的储存技术发展将带来颠覆性的突破。同时,氢能的发展将极大的带动碳纤维复合材料在氢能的应用市场。


       我国各地方政府陆续出台支持氢能产业发展的政策,氢燃料电池汽车是氢能产业下游最重要的示范应用。随着国内IV型瓶技术的突破,将会被广泛应用于氢燃料电池汽车。在燃料电池汽车示范应用政策的推动下,我国氢燃料电池汽车保有量将会逐步增加,从而带动碳纤维需求的大幅提升。


       复合材料助力新能源汽车实现轻量化


       随着国家对碳排放政策的实施以及能源危机的加剧,新能源汽车逐渐成为汽车销售市场上的主力。由于这些新能源汽车没有燃油发动机,只有电机和电池,因此在材料的选择上会更注重汽车质量的轻质化和生产的便利性,其主要轻量化方向分为整车车架质量以及储能装置两个方向。新能源汽车的质量每减少10%,对应的续航里程大约存在5.5%的提升。碳纤维材料的使用有利于新能源汽车的轻量化,可以有效延长续航里程。


       新能源汽车的动力结构主要有燃料电池和储能电池两个大类,其中氢能源车的储氢容器以及电动车的电池包都是质量大户,因而其轻量化方案也大多是基于这两个方向来考虑的。

 

       现阶段的碳纤维复合材料已经在不同的汽车配件方面均有比较成熟的应用方案,并且得到了令人瞩目的技术革新。

 

       受近几年环境政策以及“碳中和、碳达峰”目标的要求,汽车轻量化已经成为汽车厂商亟须解决的生存性问题,因此,碳纤维增强复合材料也越来越受到汽车厂商的重视。实现碳纤维复合材料在汽车各部位中的广泛应用,可以更好地满足汽车的轻量化需求,并在新能源汽车领域取得进一步发展。(本文是根据相关资料整理而成)

 

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