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1、特别报道 Special Reports 2 0 1 0 年第7 期 29 风 能是绿色、环保和可再生能源，取之不尽，用 之不竭。据估计，全国陆地上可开发利用的 风能约2 . 5 3 亿k W ，海上可开发利用的风能约7 . 5 亿k W ， 共计1 0亿k W 。据世界能源金融网从哥本哈根发来的消 息， 丹麦国际经济咨询公司( D a n i s h c o n s u l t a n t s B T M ) 认 为，中国在2 0 0 9 年成为世界顶级风电市场，装机量达到 1 3 . 7 5 G W ，占世界总装机量3 8 G W 的1 / 3 ，在金融危机 的局势下创造了一项新的纪录，三
2、家中国涡轮机公司名 列世界前十名。 中国风电工业已经成为中国市场发展的趋势。2 0 0 9 年，由于中国风电装机容量大幅增长的强劲拉动，全球 风能市场继续呈现快速增长态势。中国新增风电装机容 量快速超越欧美国家。2 0 0 9 年，尽管全球经济仍处于危 机之中，但全球风能市场却实现了3 1 % 的增长。1 / 3 的新 增风电装机容量来自中国，其1 3 0 亿W 的新增风电装机 容量超过了欧盟的1 0 5 亿W 和美国的9 9 亿W 。2 0 0 9 年， 中国风电装机总容量连续5 年实现翻番，连续第5 年实现 1 0 0 % 增长，并跻身全球1 0 大风能市场。同时，中国风电 装机总容量成功
3、超越西班牙， 仅位列美国和德国之后。 全 球风能委员会主席安洁利卡普伦表示，2 0 1 0 年，中国 风电装机总容量有可能超过德国。E E R的一份市场研究 显示，在欧洲公用事业的引领下，海上风能产业未来1 0 年将大幅扩张，2 0 2 0 年全球风电装机容量预计将增长至 近4 5 0 亿k W 。E E R 指出，随着短期内北欧大型公用事业 项目推动该产业发展，该产业也将为北美和亚洲海上风 能的发展提供舞台。 叶片是风力机的关键部件之一，涉及气动、复合材 料结构及工艺等领域。叶片的长度和风机的功率成正 比，风机功率越大，叶片越长。对5 0 0 k W 2 . 5 M W 的 风力机， 叶片长
4、1 3 . 5 3 9 m ( 丹麦L M G l a s f i b e r 公司制 造) ；6 6 0 k W 1 . 6 5 M W 的风力机，叶片长2 3 3 9 m ( 丹 麦 V e s t a s W i n d S y s t e m s A S 制造) 。 在兆瓦级风电机组中， 如1 M W 的叶片长3 1 m ，每片约4 5 t ；1 . 5 M W 主力机 型风力机叶片长3 4 3 7 m ， 每片约6 t ；目前商业化风力 发电所用的电机容量一般为1 . 5 2 . 0 M W ， 与之配套的复 合材料叶片长度大约3 2 4 0 m ，质量为6 8 t ；现代的 5 4
5、 m 大型叶片质量为1 3 t 。 现今世界上最大的5 M W 风力发电机的叶片长6 1 . 5 m ， 单片叶片的质量为1 7 . 7 t ， 旋转直径可达1 2 6 . 3 m 。 下表 所示为不同年份风机功率、风叶尺寸和风电价格的变化 趋势。 1 风电叶片生产现状 1 . 1 国内风电叶片技术 近两年风电的迅猛发展，拉动了国内风力机零部件 企业的快速发展。目前除了L M 、保定中航惠腾等继续扩 建外，新建的叶片厂迅速增多，据不完全统计，当前生 产叶片的国内厂家已有5 0 多家，竞争较为激烈，已经基 本能满足国内风电产业的需求。 2 0 0 5 年，连云港中复连众复合材料集团从德国成套 引
6、进1 . 5 M W 风力机桨叶的生产技术和关键设备，率先成 为具备兆瓦级风力机桨叶批量生产能力的国内制造商。 2 0 0 7 年1 月，该公司收购了德国第二大风力机桨叶生产 和研发企业N O I 公司，成立了名称为S I N O I 的境外新公 司。 该公司已拥有l 4 套风电叶片模具， 年产量达到了1 0 1 2 叶片生产现状与风力发电前景 杨通 杨晓红 / 华北电力大学机械工程系 风机叶片使用碳纤维作为增强材料，具有广阔的前景。 表 风叶尺寸、风机功率和风电价格 年份 主力型号风机功率风叶长度风电成本 / k W/ m/(USD/kWh) 1 9 9 22 0 01 20 . 3 1 9
7、 9 97 0 02 2 2 0 0 09 0 02 50 . 0 6 2 0 0 51 5 0 0 2 5 0 0 ( 路基)3 5 4 50 . 0 4 2 0 0 53 0 0 0 5 0 0 0 ( 海基)4 5 6 1 . 5 特别报道 Special Reports 30 2 0 1 0 年第7 期 片。 中航( 保定) 惠腾风电设备有限公司为国内叶片制造的 最大企业。该公司由保定惠阳航空螺旋浆厂、中航工业 燃机动力集团、中航第二集团和美国美腾风能公司共同 投资，是国内唯一的自主技术、自行研发聚酯基F R P 叶 片的企业。其6 0 0 7 5 0 k W 叶片占国内的9 0 %
8、以上，2 0 0 6 年叶片装机容量达5 0 4 M W ，占全国的4 8 % 。2 0 0 9 年4 月 7 日，华锐风电生产的第三台3 M W 海上风电机组在上海 东海大桥1 0 万k W 风电场完成吊装。该叶片是由中航惠 腾风电设备股份有限公司设计研发并制作。这标志着我 国第一个国家海上风电示范工程、同时也是欧洲以外全 球第一个大型海上风电场的首批3 台3 M W海上风电机 组安装成功。 艾尔姆玻璃纤维制品有限公司是世界上处于领先地 位的风电叶片制造商，总部设在丹麦，现在5 个国家设有 生产厂，包括中国天津的独资工厂。主要为通用机械等 自己不生产风电叶片的欧洲大型客户提供1 . 5 M
9、W 风电叶 片，为中国和亚太地区风能市场提供6 0 0 1 5 0 0 k W 风 力发电机配套的叶片。 图1 是2 0 0 5 年各省( 市、 区) 风电场 装机容量图( M W ) 。 1 . 2 国外风电叶片生产商 世界上多数主要大型风力发电机组制造商都自己生 产叶片。 在独立大型叶片制造企业中， 丹麦L M G l a s f i b e r A / S 是一个世界上领头的风力机叶片制造商， 并且是唯一 以全球基础运营的供应商。L M 公司活跃在所有主要的风 能市场上，在全球8 个国家建有生产厂，具有在亚洲( 印 度有两个厂，中国有两个厂) 、北美洲和欧洲可扩展的生 产能力。L M 公
10、司在乌鲁木齐、天津和秦皇岛建立了艾尔 姆玻璃纤维制造品有限公司， 全球目前运行的风力机， 每 3 台风力机就有一台配装该公司的叶片。 V e s t a s 集团，包括以前的N E G M i c o n 是世界上最大 的风轮机制造商， 其产品在6 大洲的4 0 多个国家运行， 在 他们制造的4 4 m 长、V 9 0 型3 . 0 M W 风电机中的叶片 的梁采用了碳纤维。 长期以来， V e s t a s 一直积极参与黑龙 江省的风电开发。截至2 0 0 9 年1 2 月底，维斯塔斯已在中 国安装超过2 0 0 0 M W 的风机，成为中国风电市场最重 要的成员之一。西班牙G a m e
11、 s a 在他们旋转直径为8 7 m ( G 8 7 ) 和9 0 m ( G 9 0 ) 2 M W 的风机的叶片中采用了碳纤维/ 环氧树脂预浸料，G 9 0 叶片长4 4 m ，质量约7 t 。 2 0 0 9 年全球十大风机供应商中，三家中国风机制造 商进入全球十强，华锐风电排名全球第三。 1 . 3 叶片制造存在的问题 近年来，随着尺寸的不断增加，风力机叶片在生产 和制造过程中产生了一些在以往的中小型叶片生产中未 曾碰到过的新问题。 大型复合材料叶片的外形尺寸与其制造模具有着极 其密切的关系。 为保证复合材料桨叶设计外形和尺寸精 度，叶片越长，成形时对模具刚度和强度的要求就越 高，而模
12、具的重量和成本也会大幅度提高。近年来，为 减轻模具重量，降低模具成本，大型复合材料叶片的制 造模具也逐渐由金属模具向复合材料模具转变。 考虑到 内资厂商处在风电叶片生产的初期，需要较长时间进 行模具开发、 样品开发、 样品测试工艺调试以及流程优 化，因此一般新进入的风电叶片生产厂商都需要较长 时间的摸索。 叶片存在固化问题。在叶片的生产过程中，由于模 具尺寸巨大，一般无法采用烘箱等传统的外部加热方式 对其进行升温固化，只能在室温下进行，致使叶片固化 周期较长，难以进行较连续化的生产。同时，利用光照 进行固化处理的生产方式，受气候因素制约严重，一般 只能选择在光照较充足的地方建立叶片生产基地。
13、叶片的运输问题。1 . 5 M W 风电叶片长度可达3 4 4 0 m ，质量达5 . 8 t ，经长途运输到风力发电场，运输困 难，一般都由专业大件运输公司承担运输任务，费用高 昂， 运输费可达3 万元/ 片。 有些地区甚至根本无法送达， 长途运输问题甚至已成为制约风电发展的瓶颈之一。 叶片的技术问题。 外资企业由于长期的发展累积， 无 论在技术还是在质量保证方面都有比较完善的体系，因 此在质量控制方面比较出色。而内资企业大多数都处于 刚起步阶段，且其中相当一部分企业之前尚无玻璃钢的 生产制造经验，无论在技术还是在质量体系方面都还需 要一段时间的完善。 风电叶片质量问题。叶片的寿命一般为2
14、0 年，叶片 图1 2 0 0 5 年各省( 市、区) 风电场装机容量图 2 0 0 1 8 0 1 6 0 1 4 0 1 2 0 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 河北 内蒙古 辽宁 吉林 黑龙江 上海 浙江 福建 山东 广东 海南 甘肃 宁夏 新疆 香港 1 0 8 . 2 5 1 6 5 . 7 4 1 2 7 . 4 6 1 0 9 . 3 6 5 7 . 3 5 2 4 . 43 4 . 1 5 5 8 . 7 5 7 9 . 3 5 1 4 0 . 2 9 1 8 0 . 7 5 1 1 2 . 9 5 5 2 . 2 8 . 7 0 . 8 特别报道 Specia
15、l Reports 2 0 1 0 年第7 期 31 的质量控制关键在过程控制，良好的风电叶片表面和涂 层是确保风电叶片使用寿命的第一步，如何对风电叶片 表面进行涂层，清洁是非常重要的。由于叶片的体积和 长度越来越大，制造周期长，有些缺陷不可避免地出现。 如分层、内含物、气孔以及缺少胶黏剂，翼梁与外壳之 间以及外壳的前缘与后缘之间黏结不牢。 2 复合材料与风机叶片 2 . 1 叶片制造材料 风力发电已经形成大型化趋势，即单机容量越来越 大，如图2 所示。 风力机叶片曾用木材和金属来制造，但随着发电单 机功率的增大，要求叶片长度不断增加。风力机向大型 化发展，近年来已基本用各种复合材料所代替。目
16、前，风 力机叶片材料的选择方法是对候选材料进行各种性能的 综合比较，最终确定一个相对较好的选择。对同一材料 而言，增加风机叶片长度势必增加叶片质量。统计研究 表明，叶片质量W 随叶片长度L 的3 次方增加，即W A L 3，如图3 所示。 合金钢因其价格低廉，易加工成细长的形状，并且 可以按照翼型的形状来成形，因而曾经一度被认为是首 选的风力机叶片材料。然而，它的密度太大，疲劳特性 差，易腐蚀，难以加工成扭曲形状，因而慢慢被别的材 料所替代。纤维增强复合材料是一种高功能材料，它在 力学性能、物理性能和化学性能等方面都明显优于单一 材料。复合材料重量轻，而强度和刚度大，抗疲劳性能 良好，具有较好的抗声振疲劳性能，减振性能良好，耐 高温，安全性好，成型工艺简单，固化后残余应力很小。 以环氧树脂为基体的复合材料的力学性能更好，特别是 当使用碳纤维时，机体材料多以环氧树脂为主。 玻璃纤维复合材料有很多的优点，如高比强度，很 好的疲劳特性、防腐性能和减振性等。玻璃钢复合材料 叶片有很多显著特点：第一，与金属材料制造的叶片相 比，重量轻。第二，玻璃钢复合叶片可
