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1、化工设备论文化工设备管理论文：浅析国风电叶片产业发展对化工产业的需求摘要：简要介绍了国外风能产业的现状及发展前景,分析了复合材料风机叶片的未来发展趋势;详细分析了国风电叶片产业发展对化工产业的需求。关键词：风电叶片,原材料,需求1国外风电发展概况作为全球最具活力和发展潜力的可再生能源之一,风电产业一直受到世界各国的广泛关注。经过20多年的发展,风力发电成本的下降已超过了90%。预计到2010年底,风电度电成本将降至3欧分,2020年将降至2.34欧分,其规模经济性日益明显,因而近些年来该产业也一直在迅速扩。据世界风能协会统计:近10年来全球年均新增装机增长率超过30%,累计装机增长率超过了25
2、%;而2009年全球风能市场则再创新高:新增风电装机3747万kW,累计装机已达1.58亿kW,其市场主要分布在欧洲、北美和亚洲地区(见图1)。截至2009年底,我国风电累计装机容量达到2510.4万kW,占全球159%,居亚洲第一,世界第三,图2为20012009年中国风电装机容量统计。2009年,中国风电机组新增装机容量达到1300万kW,增长率达到106.4%,在全球新增市场份额中占34.7%,排名世界第一位。成为世界上新增装机速度最快的国家之一。欧洲风能协会和美国风能协会预测:未来10年全球风能产业仍能保持两位数的高速增长,其中亚洲的中国和北美洲的美国将继续成为全球最具增长潜力的地区。
3、预计到2020年,世界风力发电量将占世界发电总量的12%,达到126100万kW,在全球围减少100多亿t有害气体的排放,同时带动复合材料及相关产业的发展进步。2中国叶片产业的总体情况目前,我国已经能够规模生产15MW及2MW风电机组以及与之配套的叶片。截至2009年底,中国境的风电机组叶片厂商超过了60家,预计在2010年,这些叶片公司全部进入批量生产阶段后,年综合生产能力将达到2000万kW。国企业叶片价格低于国际市场同类产品大约15%25%左右,但在产品质量上,与国际上同类产品相比,仍需进一步的改善。目前国实力强、潜力大的风电叶片制造企业主要有:以LM、VESTAS、GAMESA等为代表
4、的外资企业和以惠腾、中复连众、中材科技、天津东汽、国电、玻钢院等为代表的资企业。2009年,中国自行研制的34台3MW风电机组已在上大海风场并网发电,中复连众为东海大桥海上风电项目提供了共26套3MW海上风电叶片,占到此海上风场的近八成份额。预计今后3MW叶片发展空间巨大,并将成为风电叶片发展主流。中国风电叶片需求预测分析见表1。3风机叶片的发展趋势叶片是风力发电机有效捕获风能的关键部件,在发电机功率确定的条件下,如何最大效能地利用风能,提高风能的发电效率,一直是风力发电设备商追求的目标。叶片的捕风能力的提高与叶片的形状、长度、扫风面积有着密切的关系,叶片尺寸大小则主要依赖于制造叶片的材料。叶
5、片材料的质量越轻、强度越高、刚度越大,叶片抵御载荷的能力就越强,叶片就可以做得越大,它的捕风能力也就越强。因此,轻质高强、耐久性好的复合材料成为目前大型风力发电叶片的首选材料。目前国外复合材料叶片研发趋势为大型化、轻量化、低成本、高性能,主要发展方向如下:3.1功率大型化为了降低风电成本、提高发电效率,目前叶片呈功率大型化方向发展。2009年全球新增装机容量中,MW级机组已超过了80%。据风电行业世界权威咨询机构BTM近期发布的世界风能发展报告显示,2009年全球风电机组单机功率平均为1599kW,中国平均1360kW,美国平均1500kW,欧洲平均2M3MW。我国风电机组平均单机功率距离全球
6、平均水平还有一点差距,我国风电企业在大型化风电机组方面正在努力追赶全球步伐,风电叶片需要紧跟市场形势,大型化将是必然趋势。目前,全球风电设备制造业还在积极研发更大容量,更加可靠,具有智能性的新一代风电机组。Enercon公司的6MW、7MW风电机组已在德国和比利时的风电场成功运行,GE公司的7MW机组正在研发过程中,Vestas的6MW、10MW机组也在研制过程中,中国的5MW的风电机组也正在研发设计中。随着世界主流风力发电机的单机装机容量越来越大,叶片也在朝大型化方向发展。为了捕获更多的风能,大部分的MW级叶片的长度超过30m,商业运行叶片的最大长度已达61.5m。叶片长度对重量的影响非常大
7、,其重量与其长度几乎呈现立方增长关系。随着叶片长度的增加,无论是E玻璃纤维还是S玻璃纤维,单纯的玻纤增强材料已经很难满足叶片的设计要求。为了提高叶片的刚度,降低叶片的重量,设计人员出于叶片材料成本的考虑,在2MW以上的大型叶片设计中采用了玻璃纤维/碳纤维混杂复合材料结构,在叶片的主承力部位采用碳纤维复合材料,使得轻质高强的碳纤维在风力发电上得以应用。采用碳纤维作为增强材料,不仅可以提高叶片的承载能力,同时,利用碳纤维的导电特性,可以有效地避免雷击对叶片造成损伤。3.2智能化风电机组一般工作在风能资源丰富的地区,但这些地区往往也是天气变化多端的地区。出于对风电机组工作安全的考虑,为了实现对叶片的
8、实时监控,目前已经出现了将光纤监控技术用于复合材料叶片的制造的技术,开发出了具有智能功能的复合材料叶片。风电机组运行过程中,一旦出现叶片所承受外界载荷(温度、风速、风载等)超过设计载荷、叶片主体产生裂纹、外界雷击等可能对叶片造成损伤的情况时,监控系统就会发出预警信号,以便对叶片进行及时的调整、维护和保养,提高风电机组运行的可靠性。3.3适合运输的分段式叶片为了方便兆瓦级叶片的道路运输,某些公司已经尝试开始分段制作叶片。例如,德国Enercon公司的E126 6MW风电机组的叶片由、外两段叶片组成,靠近叶根的段由钢制造,外包玻璃钢壳体形成气动形状表面。3.4热塑性复合材料叶片目前使用的风电叶片都
9、是由热固性复合材料制造,很难自然降解。其废弃物一般采用填埋、燃烧利用其热能或粉碎后做填料等方法处理。面对日益突出的复合材料废弃物对环境造成的危害,一些风电叶片制造商开始研究制造热塑性复合材料叶片“绿色叶片”。与热固性复合材料相比,热塑性复合材料具有可回收利用、质量轻、抗冲击性能好、生产周期短等一系列优异性能。根据有关资料介绍,如果采用热塑性复合材料叶片,每台大型风力发电机所用的叶片重量可以降低10%,抗冲击性能大幅度提高,制造周期至少降低1/3,而且可以完全回收和再利用。但是,使用热塑性复合材料制造叶片的工艺成本较高,成为限制热塑性复合材料用于风力发电叶片的关键问题。最近,爱尔兰Gaoth风能
10、公司与日本三菱重工和美国Cyclics公司正在联合开发低成本的热塑性复合材料叶片制造技术。预计随着热塑性复合材料制造工艺技术研究工作的不断深入和相应的新型热塑性树脂的开发,安全快捷的制造热塑性复合材料叶片将逐步成为现实。4叶片产业发展对化工产业的需求分析为适应我国风电产业强劲发展,国兆瓦级叶片技术主要是通过生产许可证方式引进。3MW叶片重达十几t,消耗60%纤维织物和25%30%的树脂及轻木和PVC等;叶片产业的发展带动下游玻纤、碳纤、树脂等行业的发展;由于叶片设计寿命在20年以上,对叶片材料选择、性能测试,叶片的叶型、结构和材料铺层设计,叶片模具和叶片制造工艺等都通过一整套标准规则和独特软件
11、完成初步设计,并通过GL论证。对原材料的选择和使用要求非常苛刻。4.1复合材料叶片的主要原材料复合材料叶片的主要原材料如下:树脂基体:环氧、不饱和聚酯、乙烯基酯;增强材料:玻璃纤维/织物;碳纤维;胶粘剂:环氧类、聚氨酯类、聚酯类,大型叶片使用的胶粘剂一般为环氧型胶粘剂,对于工作温度较低的叶片也可以采用聚氨酯型胶粘剂( GL对胶粘剂的规定:拉伸剪切强度7MPa ;拉伸剪切强度:1220MPa);表面材料:胶衣/涂料;芯材:轻木、刚性泡沫(PVC泡沫、PET/PBT泡沫);螺栓:T-螺栓、预埋螺栓、粘接型螺栓等。4.2叶片对树脂基体的要求德国对叶片所用的主要原材料提出了通过德国船级社认证的要求。以
12、下原材料需要通过GL认证:树脂/胶衣,增强材料,粘接剂,预浸料,芯材。在我国,主要根据主机商的要求,叶片原材料需要通过GL或中国船级社/建衡认证中心认证。表2为GL认证中树脂基体最低的性能标要求(叶片工作温度-20+50),表3为叶片常用树脂基体的典型性能,表4为叶片常用的增强材料。目前,国产环氧树脂还不能满足风电叶片的性能和工艺要求,国兆瓦级叶片所用的关键材料大部分依赖进口,进入我国风电市场的环氧、不饱和聚酯树脂企业有亨斯迈、汉森、长濑、DOW、巴斯夫、亚什兰、DSM,DIC和昭和等,目前国大型叶片基本采用德国汉森的环氧树脂(全球最大环氧树脂厂家)的产品,价格比普通产品高1倍以上,对风电业造
13、成很大成本压力。因此希望尽快研发或引进耐候性、抗老化性好的环氧树脂如氢化双酚A型环氧树脂、脂肪族环氧树脂技术。4.3叶片常用的增强材料叶片常用的增强材料有连续纤维(玻璃/碳纤维,玻璃纤维直径19m)、玻璃纤维毡(连续毡、表面毡)、缝编织物;国外兆瓦级更多地采用抽真空灌注成型技术,要求增强材料对树脂的流动阻力小、浸润性好、机械强度高、铺覆性好,由于无卷曲的多轴向缝编织物在导流、渗透、强度方面具有更多优越性,成为叶片的主要增强材料,品种包括单向、45双轴向、多轴向缝编织物。进入国的玻璃纤维企业有欧文斯康宁、PPG、圣戈班、JM、奥斯龙、ATM、赫氏公司等。以泡沫夹芯材料用于叶片和造船著称全球的DI
14、AB、Guryt等公司也在昆山、天津建厂,表5为叶片常用的增强材料的性能。4.4碳纤维在叶片中的应用目前风力机组叶片普遍采用的是玻璃纤维增强环氧树脂材料体系。随着叶片长度的增加,单纯的玻纤增强材料已经无法满足叶片的刚性要求,有效的办法是采用碳纤维增强。由于碳纤维比玻璃纤维昂贵,设计人员出于使用成本的考虑,对大型叶片的设计采用玻璃纤维/碳纤维混杂复合材料结构,并在主承力部位采用碳纤维复合材料,使得轻质高强的碳纤维在风力发电上得以应用。目前碳纤维作为增强材料在叶片中应用的主要部位有:(1): 承力主梁:用于提高叶片的强度和刚度。(2): 叶片根部:增加根部的刚度和强度,用于提高叶片的抗扭能力。碳纤
15、维作为增强材料应用于大型风电机组叶片后,叶片和配套机组的主要性能参数均得以大幅提升,主要表现在: (1) 叶片的刚度提高,重量降低。相比于玻璃纤维,碳纤维的各项力学性能参数更加优异,用碳纤维作为增强材料在叶片的关键受力部位使用,可大大减轻叶片重量。据报道一组(3只)长56.5m的叶片,关键部位采用碳纤维增强后其重量比玻璃纤维材质减重15t左右。(2) 减轻整机重量,延长使用寿命。碳纤维叶片不仅能提升自身的各项性能参数,装配后还能够有效地减轻整机零部件的设计重量和载荷负担,延长服役年限。相关统计表明,丹麦Vestas公司的V-90型3.0MW风电机组的配套叶片采用碳纤维增强,其整机(不包含叶片)
16、重量只有约70t,服役年限可达到25年;而国同功率采用玻璃纤维叶片装配的机组,其整机(不包含叶片)重量却高达120t,服役年限最多也只有20年,期间的维护成本也会很高。(3) 输出功率更平滑稳定,机组负载和机组自重减轻,运行寿命延长。叶片关键受力部位使用碳纤维后会更加轻便,且翼型边缘部分采用碳纤维增强后可大大提高因风向突然改变而造成的叶片瞬时负载承受力(抗剪切能力增强),有效改善其空气动力学性能,方便风电机组功率的平滑稳定输出,提高了风能利用效率。(4) 降低风力机组的制造、运输及安装成本。在海上风电场项目中,机组制造成本占据了50%以上的比例。由于轻质高强的碳纤维叶片可减轻机组零部件的设计重量,从而使得零部件制造工厂的规模也可缩小,制造成本也会大大降低。目前大型风电机组(单机功率3MW及以上)
