國內兆瓦級玻璃鋼風機葉片市場分析和國際技術走勢

    2010年9月7日,發改委能源研究所副所長戴彥德在“21世紀論壇”表示,“十二五”(2011-2015)期間平均每年新增裝機容量800萬千瓦。應對氣候變化,我國風電產業進入快速規模化發展階段,大型并網風電總裝機容量從2000年的35萬千瓦增長到了2009年的1613萬千瓦,年均增長53%,累計風電總裝機容量達到了2580萬千瓦??稍偕茉磳W會風能專業委員會主任賀德馨預測,今年我國風電裝機容量將達到4000萬千瓦左右。到2020年,裝機容量將達到1.5億到2億千瓦,那時,風力發電比例將占我國總發電比例的3%-5%。
    風電設備的快速增長,也帶動了兆瓦級葉片和玻璃鋼復合材料產量的增長。(表一)
    表一:2009年-2010年新增風電裝機容量相配置葉片、機倉罩測算總量表

年份

新增和累計

容量(萬KW

1.5MW配置

發電機臺數

相配套葉

片數(支)

機倉罩

(臺)

葉片總重

量(萬噸)

機倉罩總

量(噸)

FRP總量

(萬噸)

2009

1380

2580

9200

27600

9200

16.56

25760

19.13

2010

1420

4000

9460

28380

9460

17.02

26488

19.66

    按1.5MW風電設備配套葉片、機倉罩、導流罩等總量概算為6噸×3+2.8噸=20.8噸/臺(2.8噸包括導流罩重量),2010年實際消耗玻璃鋼總量為9460×20.8=19.66(萬噸)。按樹脂、玻纖4:6比概算、玻纖用量達11.8萬噸,樹脂用量為7.8萬噸,其余為結構泡沫。在玻纖品種用量上,高性能玻纖占85%,E玻纖為15%。在熱固性樹脂用量上,環氧樹脂用量占70%以上,其余為環氧乙烯基酯樹脂(VER)和不飽和聚酯樹脂(UPR)。隨著葉片市場競爭和性價比,2MW葉片正在逐步采用環氧乙烯基酯樹脂,5MW以上基本上采用環氧樹脂。國內葉片制造從設計、材料到工藝加快采用國外技術對國內快速的風電產業起到了“技術成熟、拿來就用、立竿見影”的效果,但也給跨國公司從風葉設計到制造提供了產業鏈的機會。設計方面,有德國Gerodyn和荷蘭CTC;論證方面有GL和SGS;材料方面有高性能玻璃纖維、樹脂和夾芯結構等。整個葉片市場,跨國企業占了主導地位,國內企業處于研發階段和量產。
    玻纖方面:OCV和PPG先后推出Advantax和HXBON2026高性能纖維。近,OCV在16屆北京國際復材展上推出了商品牌號為Ultrablad高性能織物。據介紹,這種織物與環氧復合,葉片可加長6%、剛度提高20%、葉片厚度減少6%、總重量減少5%,同規格2MW葉片玻璃鋼部分可減重達1噸。PPG公司向風能葉片行業推出了高強、抗疲勞玻璃纖維,開發的HYBON2026與目前市場上用與制作葉片的玻纖產品相比,拉伸強度高出20%,抗疲勞強度高出數倍以上。
    多軸向織物是葉片重要增強材料。它使織物的紗線層能按照特定的方向伸直取向,一方面達到了結構方向的增強效果,另一方面其平行伸直、無卷曲,每根纖維力學理論值的利用率幾乎能達到100%,因此,采用于葉片結構具有獨特優勢。常州宏發縱橫、常州天常、ocv北京竇店、常州維特克斯、昆山天能、SAEKTEX、中航、重慶國際等中外資企業囊刮了國內葉片市場纖維用量的90%,而其多軸向纖維90%來自OCV、PPG和重慶國際等企業。國內有關企業在滿足兆瓦級葉片材料上也開展了大量的研制開發工作,泰山、巨石的高性能纖維也進入了市場。
    合成樹脂方面:目前,用于兆瓦級葉片制作用環氧樹脂基本上由外企供給,其性價比和穩定性勝我一籌。據有關方面了解,進口環氧主體成分為雙酚A環氧和1.4一丁二醇二縮水甘油醚,與國內環氧主體成分比較,制造成本偏低。亞什蘭公司在2-3MW葉片制造用環氧乙烯基酯樹脂和不飽和聚酯樹脂的推廣應用上取得顯著成果,在轉讓DoW化學環氧乙烯基樹脂的后,在風葉制造用樹脂上進行了設計和創新,為用戶提供了低粘度、高強度樹脂,滿足了葉片的性能,且優于環氧的工藝性和制造成本的降低。目前,中石化巴陵石化公司宣布將于明年8月31日正式試車投產鄰甲酚醛環氧樹脂一萬噸,若配置葉片用環氧樹脂調和液,可達到10多萬噸。
    葉片用樹脂出現一些新動向。拜爾公司不久前推出商品化牌號Baytube碳納米管用于環氧樹脂中,提升葉片的抗疲勞、抗沖擊性和改善材料回彈性。該公司透露,采用碳納米管于樹脂中,將使葉片重量減輕20-30%,強度增大30%。另一個是熱固性聚氨酯樹脂的采用,拜耳集團旗下的美國拜耳材料科技公司獲得美國能源部75萬美元撥款,用來研究用碳納米管增強聚氨酯復合材料,制造1.5MW以上的更大、更強、更輕的風力發電機葉片。美國凱斯西儲大學和模塑玻璃纖維公司也參與了這項研究。拜耳稱這種用碳納米管增強的聚氨酯體系,可使強度重量比提高超過50%;該項目還將探索把低揮發性有機化合物(VOC)聚氨酯基材料作為低排放技術進一步減少碳足跡。除了提供強度更高的復合材料結構外,聚氨酯基體系還使用了生物基組分,并可省去后固化工序來降低能耗。
    輕質閉孔高強度泡沫為葉片提供輕型結構。據瑞典DIAB公司資料報導,已用于60米長的風機葉片芯材。采用這種芯材及導流技術,可減少50%的周期時間,降低30%的勞動力成本,與敞開型技術相比,夾芯導流技術減少90%的苯乙烯散發,并使整個葉片達到輕質高強。國內夾芯材料市場上,提供各類材質的夾層結構還有Gurit和思瑞安。
    表二  兆瓦級葉片用組合材料

序號

品種

外資企業

國內企業

1

高性能玻璃纖維

OCV、PPG、AGY

重慶國際、泰山、巨石

多軸向玻纖織物及復合氈

維特克斯、PPG、天能、SAERTEX

宏發、天常、重慶國際、泰山、中航、天馬、聯洋、振石、成如旦、金牛

2

環氧樹脂(EP

DOW、HUNTSMANHEXION、長瀨、惠利、上緯

華昌、株洲時代、東方電氣

環氧乙烯基酯樹脂(VER

亞什蘭、DSM、長興、上緯、雷可德

華昌

不飽和聚酯樹脂(UPR

亞什蘭、DSM、華日、長興、雷可德

 

3

巴而薩輕木

各大FRP材料特約經銷:科拉斯、康浦薩、信宏、瀝高、瑞洋、米德、奧爾泰

閉孔結構泡沫

DIABGurit、德固賽、思瑞安、阿樂斯

天晟、美沃

4

結構膠

ITW(依工)、LORD(絡德)、3M、亞什蘭

TSP、康達、立威

5

涂料

AKZO、PPG、BASFMANKIEWICZ、SIGMA(式瑪卡龍)、HEMPEL(赫普)

中涂化工、中遠關西

6

預浸料

HEXCELCGL、Gurit

光威

 

    這些年來國內風電行業的快速發展,設計軟件大都從國外引進,這也導致了國內設計舉步維艱??談友芯颗c發展中心近幾年來積極參與了有關企業的葉形設計,中心先后為沈陽風電設備發展有限責任公司和上海某研究設計院完成了3MW以下的葉形設計。積極參與國內葉片技術合作的還有中科宇能、保定華翼、沈陽工大風能所等。浙江聯洋公司利用多年在國外工貿合作的優勢,組織葉片整套技術設計在國內的轉移,取得明顯的效果。 [-page-] 
    模具制作方面。北京恒吉星復材技術開發中心積累多年環氧制模的成熱經驗,先后為中復連眾承擔了數十套1.5-3.5MW的環氧模具制作任務,并與連眾科技人員積極進行交流合作,優勢互補,使模具制造水平步入國內一流,其為國內三家大型風電企業和其他企業完成了80多套環氧模制作任務。此外,在江蘇昆山的外資企業紅楓風電模具有限公司,面臨葉片長度轉換時機,積極做好技術準備,及時為風電企業開發了2MW以上的模具。
    國內風電市場快速增長,單塔電能產能的要求越來越高,其走勢將是兩個方面:一是縱觀葉片技術的發展趨勢,并兼顧風機效能和降低成本兩因素,機單功率愈大,每KW的發電成本就愈低。 風電設備都在向兆瓦級大功率和長葉片方向開發,葉片長度的不斷增加使得輕質、高強的碳纖維在風力發電上應用不斷擴大,大絲束碳纖維價格的下降成為風機葉片的選結構材料。據有關信息,為了增加葉片的剛度并防止葉尖預彎部碰到塔架,在長度大于50m的葉片將廣泛使用碳纖維。二是風電發展由陸上擴展到海上,葉片的長度以陸上3-5MW為主擴展到海上5-10MW為主的趨勢。海上風電發展將帶來前所未有的環境風險和技術風險。據有關方面獲悉,去年11月,由挪威石油公司和挪威政府共同投資開發的座深海浮式海上風電設備。這座幾乎集中了當今海上風電尖端技術的浮式風力發電設備的建造,標志著先進的歐洲風電業將開進深海風電市場。還有一則消息是總部設在美國加利福尼亞州的Clipper Windpower,公司正在英格蘭東北部建造一座大型工廠設施,并準備生產一臺單塔發電量達10兆瓦的巨型風力發電機,用于近海風能發電設施的部署。
    我國風電市場快速增長,給葉片企業帶來巨大商機。國內葉片規模企業有外資的LM、中資有中復連眾、中材科技、中航保定惠騰等,此外,主要整機企業自行生產葉片有東汽、株洲時代、中山明陽、金風科技、三一重工、國電聯動、重慶海裝,另所金風科技已并購東部沿海兩家葉片制造企業等,但機遇伴隨著各種挑戰。在能源政策的統領下,我們應該抓緊建立大葉片的產業創新聯盟,集中優勢,攻克尖端,抓緊建立高水平的上下游產業鏈,使我國大葉片制造技術融入經濟一體化,立足國內市場,進取海外市場。