在技术这一模块，我带你关注了光伏、储能的新技术。和光伏一样，风电也是新能源中的主力，发展很快。这一讲，我就带你关注风电的重大技术进展，它跟风机叶片有关。
说起风机，现在已经很常见。你不用去西北，只是在河南、河北、山东、山西这些北方省份也能看见。风机叶片的材料，技术含量很高。很早以前有用钢材的、铝合金的，基本都被淘汰了。现在主要用的是复合材料，有些还是用石油为原料加工成的，比如碳纤维。它是一些细细的黑色丝线，看起来像头发。
碳纤维的用途有很多，可以造航天飞机的外壳，汽车的底盘，还能用来做钓鱼竿。不过，做风机叶片是目前它最大的应用场景。在2022年，碳纤维技术有一个重大进展。
这其实跟上海石化一个新的碳纤维项目有关。这个项目叫48K大丝束碳纤维制造。一根碳纤维丝直径只有1根头发的五十分之一，1K就是1千，48K的意思是每一束碳纤维中的纤维根数有4.8万根。 大于等于这个数的，叫大丝束。少于这个数的，就叫小丝束。
在2022年年初，上海石化这个项目开始安装生产设备。我了解到，如果不是因为疫情，6月就能投产。这是我国第一个大丝束碳纤维制造项目，产能可以达到每年1.2万吨。这个规模，在全球都数得上。更重要的是，长期以来，我国能生产小丝束碳纤维，但是生产不了大丝束。因为48K大丝束的核心技术，一直被美国、日本等少数国家把持，技术壁垒很高。这次大丝束项目的国产化，扭转了我们“卡脖子”的局面。
那么这项技术突破对风电到底意味着什么呢？下面我就来讲讲。
我们知道，任何行业都想降本增效，风电行业也不例外。不过，与之前相比，现在风电提升发电效率的需求就更迫切了。一个很大原因就是，风电开发越来越难了。
在过去10年，风电发展很快，装机量不断上升。那些风力资源丰富，地理位置又靠近城市，风电容易被输送的地区，已经被第一波企业占上了，比如一些沿海城市的陆地、中东部地区的高山等。所以，剩下的好地方越来越少。
从资源上看，未来风电会逐步转向两个领域，一个是低风速风能的开发，比如湖北、安徽、福建等中东部省份的低海拔地区。还有一个是从陆地向海上扩张。我注意到在2021年，中国新增的海上风电装机量，比之前累计的总和都还要高，增长迅速。
不过，这两个地方的风能开发都不容易，投入成本要更高。拿低风速地区来说，风的能量少，能发出的电就少，而且风速很低的话，风电机压根转不起来。
去海上装风机也一样，挑战很大。即便是小一些的风机，重量也达到上百吨，高度超过100米。要把它们立在海上是很难的。你要在海底打桩，并且还要用昂贵的起重船去作业。安好之后，还要在海水中铺电缆，才能把电输送到岸上。我了解的一些数据，典型的海上风电的成本，每千瓦要超过1.5万元，这比陆地要高一倍。如果是远海，成本就更高了。
总之，无论是低风速区还是海上，要想降低成本，就必须要提高发电效率。
该怎么解决呢？一个最主要方法就是使用更大型的风机，也就是叶片的尺寸要更大。“树大招风”，反过来一样，“招风也要树大”。
在理论上，风机吸收的能量和叶片长度的平方成正比。也就是说，假如一个叶片从20米变成40米长，可利用的能量就会增加4倍。叶片越大，风机就越容易在低风速下启动，能捕获的风能就更多，发电效率就更高。
道理不难理解，风电企业都想要大叶片，问题是要造出来并不容易。
现在常见的50米长风机叶片，一个叶片重量就有10吨重。风机一般有三个叶片，一旦旋转起来，相当于3只大象在天上跳舞。如果增加叶片长度，重量不是线性增加，而是成倍增加。比如要从50米增加到100米，理论上重量就要从10吨增加到80吨。3只大象就会变成3只恐龙，这很考验叶片的性能和风机的承重能力。
你想，重量大了，叶片自身的重力就更大。叶片长了，要承受的风力也更大。重力和风力双双提高，叶片材料就更容易劳损、变形，甚至断裂。
什么样的材料能经受住这种考验呢？就是那些强度和模量大的材料。强度和模量是衡量材料力学性能的两个指标。强度越高，材料就越不容易被折断，而模量越高，就越不容易变形。这两个指标越高，说明材料越结实。
现在用的最多的风机材料叫玻璃纤维，就是一种能提高叶片强度和模量的材料。听到玻璃二字，你可别误以为它很脆弱，实际上，它能用来做防弹防爆用品，很结实。我专门去查了一下，2020年全球风叶的平均长度在60米左右，而用纯玻璃纤维造出的风机叶片，最长可以达到90米长。性能还是相当不错的。
但90米就够用了吗？不，叶片当然越大越好。现在全球最长的风机叶片能达到115米，还有很多研究预测，未来能超过200米。看来只要材料允许，没人会拒绝大叶片。
问题就是玻璃纤维的力学性能已经很难成倍增长。要想让叶片从90米增长到200米，只靠玻璃纤维很难。
估计你猜到了，我开头提到的碳纤维能做到。
我们还是先看强度和模量。碳纤维的强度，要比玻璃纤维高出40%，模量更是高出3-8倍。也就是说，用碳纤维做叶片，可以做得更长。因为它更结实，能承受更大的重力和风力。
不仅如此，碳纤维密度还更小，能比玻璃纤维小30-35%。不仅结实，重量反而更轻。这就非常合适了。
但有一个问题，碳纤维实在是太贵了。以前虽然也用，都只是在一些受力较大的关键部位用，有的是和玻璃纤维混合使用。
它比玻璃纤维贵多少呢？像高性能的碳纤维，价格是玻璃纤维的20多倍。假如一个叶片是玻璃纤维的，玻纤的成本占原料总成本的28%。如果要全部用碳纤维，成本就太高了。
碳纤维这么贵，除了工艺复杂，更重要原因是它的原料来自石油。玻璃纤维的原料是什么呢？各种石头，比如石英砂，也就是二氧化硅。这可比石油便宜多了。
碳纤维的贵还跟我们需要进口有关。以前大丝束碳纤维的技术被国外把持，我们必须要进口。如果供应不足，有的叶片中还会用到小丝束碳纤维。小丝束碳纤维比大丝束还贵，有时价格是大丝束的2倍，甚至4倍。
因为小丝束的性能更高，原料要更贵，生产工艺也不一样。比如，全球最领先的碳纤维制造公司日本东丽公司，在小丝束上一直是龙头，但在大丝束上，它探索了很多年都没啥大突破，最后靠收购一家美国公司才占领这个市场。
中国也一样，之前大丝束技术也没有突破，这其实限制了我国去制造更大的风机叶片。这也是为什么说大丝束碳纤维的国产化，对风电产业意义很大了。
当然，现在大丝束的价格，还是要比玻璃纤维价格要高出不少。不过，如果未来我们能自主生产了，成本肯定能降，因为市场对它的需求增长很快。
这里有一个数据，2021年全球风电行业对碳纤维的用量，是2014年的5倍多。如今，风电已成为了碳纤维消费的第一大行业。未来肯定还会增长，这也会倒推碳纤维的降本。对风电行业来说，就能用更便宜的材料去造大叶片，来提升发电效率了。
我注意到，上海石化已经在开始涉足风机叶片制造了。早在2021年4月，上海石化就和上海电气、陶氏化学就开启了战略合作，其中一项就是推进碳纤维在风机叶片上的应用。当时，大丝束碳纤维还没有投产，不过，进入风电领域已经是计划中的事了。
这里我还想跟你提一下，碳纤维对能源行业的改变还有很多。比如用来做储氢的高压储罐，最初是用钢材料制造的，以后就可以用高强度的碳纤维来制造了。这可以让储罐变得更轻、抗压能力更强。这对氢能汽车是个利好。还有之前讲的液流电池里面的电堆，它的核心部件电极板，也可以用碳纤维制造。
你看，大丝束碳纤维的国产化，是我国在材料基础科学上的突破。乍一听和新能源关系不大，它却解决了风电的瓶颈问题。所以，一些底层科学的水平，能决定了能源的天花板在哪里。
好，最后，留给你一个问题，你还知道哪些基础科学的突破改变了产业难题？欢迎留言告诉我。