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风电叶片

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一文看懂风电叶片的发展现状

导读: 总体来看,目前风力发电的形势一片大好。但也有的动物保护主义者认为,风力发电会威胁一些动物的生存,有的人认为风力发电会产生噪音污染,另外虽然目前风力发电机以每年以3%~5%的速度在降价,但我国风力发电的上网电价仍然偏高。

随着煤、石油、天然气等传统化石能源的逐渐耗尽,风能、太阳能等新型能源的开发利用也越来越得到人们的重视,已成为能源领域最具商业推广前景的项目之一,目前在国内外发展迅速。

我国的风电发展开始于20世纪50年代,早期的发展主要用于海岛和偏远地区的电力空缺问题,主要是非并网小型风电机组的建设。70年代末期,我国开始研究并网风电,主要通过引入国外风电机组建设示范电场,1986年5月,首个示范性风电场马兰风力发电场在山东荣成建成并网发电。

在不断的发展过程中,我国的风电行业从1986年开始,经历了早期示范阶段,产业化探索阶段、快速成长阶段、高速发展阶段、调整阶段和从2014年开始的稳步增长阶段。经过前期的洗牌,我国风电产业过热的现象得到一定的遏制,发展模式从重规模、重速度到重效益、重质量。2016年我国风电新增装机容量占全部电力新增装机容量的比例为15.5%,累计装机容量占比9.0%。风电新增装机容量占比近几年均维持15%以上,累计装机容量占比则呈现稳步提升的态势。发电量上,2016年全国风电发电量2,410亿千瓦时,占全部发电量的4.1%,发电量逐年增加,市场份额不断提升,风电已成为继煤电、水电之后我国第三大电源。

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全球风电行业热度大增,竞争激烈

风力发电除了在我国得到快速增长,在世界范围内的发展热度同样火热。商业公司预测,今后的若干年内,世界大型风力机市场将以每年20%的速度增长,中国的增长速度可能会更快。根据统计,2006年~2010年间,我国的风电叶片需求大约为7000片,2011年到2020年,我国的风电需求预计将达到50000片,巨大的市场前景使得目前风机行业的竞争空前激烈。

尽管过去的十多年时间里,我国风电装机量呈爆发式增长,但风电在整个电力结构中的占比仍然偏小,低于丹麦(37.6%)、美国(5.5%)、德国(14%)等国家,发展潜力巨大。随着开发布局的不断优化,配套政策的有效执行,以及风电技术水平的显著提升。国外风电整机设备市场的集中度较高,2015年欧洲市场新增装机容量14.37GW,维斯塔斯(Vestas)、西门子(Siemens)、Enercon、Senvion、恩德(Nordex)占据前五位,其中前三名份额达到62.7%,前五名份额达到84.3%。目前新进入企业的生存空间不大。

国内的整机生产企业中,新疆金风、浙江运达、大连重工集团、东方汽轮机厂等几家的市场前景被业界看好,占据了市场较多的份额。而在风电行业中,叶片市场的情况很大程度上决定着整机市场的情况。目前单是丹麦LM Glasfiber公司一家就占据了国际市场40%以上的份额,其产品被GE WIND、西门子(原丹麦BONUS)、SUZLON、Repower、Nordex等公司全部或部分采用;另外Vestas和Enercon公司也拥有各自的叶片生产部门。国内的叶片生产企业主要有中航保定惠腾、连云港中复连众复合材料集团等。

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材料体系的发展,碳纤维时代值得期待

目前全球的风力发电企业处于一个竞争激烈的发展过程,国内的发展商你追我赶,与国外的风电巨头企业相比较起来,目前还有一定的距离。而风电叶片影响着整个风电行业的发展,在风电叶片中,材料体系和制造工艺决定着风电叶片的发展水平。

现阶段风电叶片的发展,复合材料被用到的是最广泛的。目前复合材料在风力发电中的应用主要是转子叶片、机舱罩和整流罩的制造。相对而言,机舱罩和整流罩的技术门槛较低,生产开发的难度不大。而风力发电机转子叶片则是风力发电机组的关键部件之一,其设计、材料和工艺决定风力发电装置的性能和功率。

在风力发电机兴起100多年的历史里,叶片材料经历了木制叶片、布蒙皮叶片、铝合金叶片等。随着联网型风力发电机的出现,风力发电进入高速发展时期,传统材料的叶片在日益大型化的风力发电机上使用时某些性能已达不到当下叶片的发展要求,于是具有高比强度的复合材料叶片发展起来。现在,几乎所有的商业级叶片均采用复合材料为主体制造,风电叶片已成为复合材料的重要应用领域之一。

风力发电机叶片是一个复合材料制成的薄壳结构,一般由根部、外壳和加强筋或梁三部分组成,复合材料在整个风电叶片中的重量一般占到90%以上。复合材料叶片发展之初采用的是廉价的玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂体系,直到今天这仍是大部分叶片采用的材料。随着叶片长度的不断增大,自身重量也不断增加,这种体系在某些场合已不能满足要求,于是很自然地,性能更优异的增强材料—碳纤维走进了人们的视野。

基于目前国际上碳纤维价格居高不下,有些人认为在叶片生产中采用碳纤维太过昂贵,不应采用,实际上并非如此,一方面由于叶片长度的增加,其对刚度的要求也更加严格,在更大尺寸叶片的制造上,碳纤维的刚度大约是其他材料,如玻纤的3倍,制成的复合材料刚度约是玻璃钢的两倍,从这个意义上说碳纤维的引入是必要也是必须的;另一方面,由于叶片尺寸的加大,其质量也越来越巨大,高性能碳纤维的引入可以在很大程度上实现叶片的减重,而随着叶片重量的减轻,旋翼叶壳、传动轴、平台及塔罩等也可以轻量化,从而可整体降低风力发电机组的成本,抵消或部分抵消碳纤维引入带来的成本增加。随着大型、超大型海上风力发电机的制造和陆续投入运行,碳纤维在风电叶片上大规模应用的时代已为时不远。

在叶片的制造工艺上,传统的叶片生产一般采用开模工艺,尤其是手糊方式较多,生产过程中会有大量苯乙烯等挥发性有毒气体产生,给操作者和环境带来危害;另外,随着叶片尺寸的增加,为保证发电机运行平稳和塔架安全,这就必须保证叶片轻且质量分布均匀。这就促使叶片生产工艺由开模向闭模发展。采用闭模工艺,如现在热门的真空树脂导入模塑法,不但可大幅度降低成型过程中苯乙烯的挥发,而且更容易精确控制树脂含量,从而保证复合材料叶片质量分布的均匀性,并可提高叶片的质量稳定性。

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