復合材料風機葉片市場展望及技術進展

                      北京玻鋼院復合材料有限公司       薛忠民 總經理
   目   錄
   1、風力發電的發展概況
   2、復合材料風機葉片簡介
   3、復合材料風機葉片市場情況展望
   4、復合材料風機葉片技術進展　
   5、存在問題
   1、風力發電的發展概況
     風能作為一種具活力的可再生能源，具有取之不盡、用之不竭及綠色環保的特點。
     風力發電是利用風能將機械能轉化為電能的一種方式，隨著風力發電技術的日趨成熟，風電在能源結構中所占的比例也在逐年升高，也備受各國的關注。
   1.1 風電的發展概況
     風能利用已經有幾千年的歷史了，主要應用領域包括船舶航行、風車提水、排水造田等；
     1891年，丹麥建成了上臺風力發電站；
     20世紀70年代以來，風力發電獲得了較快發展，特別是獨立運行的小型風力發電機組；
     進入20世紀90年代以來，風電裝機容量年平均增長率超過30%，發電量由1996的122億度增長增加到2003年的822億度；
     隨著風電技術的改進，風電機組越來越便宜和高效，風電成本也在逐年降低。就過去5年而言，風電的成本已下降了20％。
     隨著科技進步和新型材料的出現，單臺風電機組的發電功率從開始的幾千瓦、幾十千瓦發展到幾百千瓦乃至如今大的五千千瓦，大功率、高效、高可靠性和高度自動化成為風電機組的發展方向；
     2004年底風電總裝機容量達到4731.7萬千瓦，比上一年增長20％左右，新增裝機797.6萬千瓦；
     隨著風能的經濟性持續提高，可以靈活的方式并網發電以及電力消耗不斷增加，預計到2007年后風力發電的年增長率將加速，到2012年其年裝機容量可望達到2.4×104MW，屆時總發電能力將達到1.77×105MW，占到總電力市場的2％；預計到2020年總裝機容量可達1.2×105MW，占到總發電量的10%；
   1.1 風電的發展概況圖
   1.2 風電的發展概況
     我國從1983年開始引進批3臺并網型發電機組開始，到1990年共建立了4個風電場，安裝了32臺風電機組，起到了并網風電項目的探索和示范作用；經過逐步推廣和較大規模的建設階段后，到2004年底共有43個風電場，累計風電機組1292臺，裝機容量76.4萬kW。
     2005年2月28日通過的《共和國可再生能源法》確保了發展風電目標的持續性、電網公司要全額收購風電并獲得一定的補償和電價公開，極大的促進了投資者的熱情。
     風電從2000年以來的發展情況
     風電場裝機容量發展情況表(MW)                        
     2004年風電裝機容量與前五位的比較圖
     風電發展規劃
   2、復合材料風機葉片情況簡介
      在風力發電機組中，復合材料部件主要有：葉片、機艙罩、導流罩等，其中用量大的就是葉片。風力發電裝置是轉子的葉片，葉片的葉型設計、結構形式直接影響風力發電裝置的性能和功率，是其中核心的部分，占整個風電機組成本的15～20%。                    
     風機葉片具有尺寸大、外形復雜精度要求高、對強度和剛度要求高、表面粗糙度要求高、要求質量分布均勻性好等特點。
   2.1 復合材料風機葉片情況簡介
     復合材料用于風機葉片制造的特點
     采用復合材料制造風機葉片可以充分利用復合材料的可設計性，對葉片的強度、剛度、固有頻率等基本參數進行優化設計；
     對于復雜的外形和表面要求，利用復合材料可以制作出形狀復雜、輕質高強的葉片，而且維修性好、周期短、可以現場施工；由于復合材料具有疲勞強度高、缺口敏感性低、內部阻尼大、耐候性優良的特點，所以采用復合材料來制造風機葉片可以取得優異的綜合性能國外葉片研制向大型化，低成本、高性能、輕量化發展，LM公司現已開發54m的全玻纖葉片，其單位KW小時成本很低，同時開發橫梁和端部使用少量的碳纖維的61m大型葉片，以開發5MW風機。德國NordexRotor公司則開發56m長的碳纖維葉片，他們認為當葉片尺寸大到一定程度時，由于使用碳纖，材料用量的減少可以使其成本不高于玻纖復合材料。Nordex公司現已開發的44m葉片僅重9.6t。
     國內的葉片技術只能支持大750KW風機的使用，目前MW級以上的風機葉片全部要依賴于進口。國內近2~3年的主力機組為600KW和750KW機組；預計未來幾年為1.2～1.5MW機組。大型風機葉片設計、制造、測試和可靠性評價技術的落后對我國風力發電技術發展的影響不容忽視。
   3、復合材料風機葉片市場情況展望
   3.1 葉片市場現狀
   國外機組葉片大舉進軍市場
     以2004年市場情況為例，國外機組占到市場份額的75%，其所用的葉片主要依靠進口和外資企業；國內大的風機制造企業金風科技占到20%，葉片的情況相當；
     大的葉片制造商丹麥的LM公司于2001年在天津已經建立獨資企業生產供應葉片；
     VESTAS公司也要在天津投資建立葉片制造廠；
     GAMESA公司計劃在天津建總裝廠；
   國內機組葉片企業逐漸發展
     我國目前大的葉片制造商是保定惠騰，其余的企業有上海玻璃鋼研究所、北京萬電公司等；
     目前保定惠騰有年產750KW葉片600片的生產能力，已經批產600KW 、750KW葉片；目前尚不具備批產MW級葉片的能力；
     上海玻璃鋼研究所自行研發葉片已經有20余年的歷史，但主要以科研為主，目前尚未批產葉片；
     北京萬電公司也僅為其自己的600KW機組配套生產葉片；
   3.2 葉片市場展望
   國內情況
     2003年，發改委發出擬在范圍選擇20個10萬KW以上的大型風電場通知，按目前8000元/KW造價計算，這項計劃實施所涉及的投資規模將達到160億元以上，其中葉片部分的大約會有30億元的市場機會。
     按照我國的風電發展目標，從2005年開始，我國風電業真正進入高速增長期，到2005年底要完成裝機100萬千瓦，到2010年，平均每年增加60萬KW，到2020年平均每年增長160萬千瓦，其中蘊含著巨大的市場機會。
   國際情況
     根據2004年“風力12（wind force12）”發表的2005～2007年風電和電力需求的預測報告推算到2010年風電裝機1.98億千瓦，風電電量0.43×104億度，2020年風電裝機12.45億千瓦，風電電量3.05×104億度，占當時總電消費量25.58×104億度的11.9％；                        
     據國際能源署（ＩＥＡ）預測，2020年，要達到12.6億KW的風電容量，總投資估算約需6300億美元，這將是機電制造業和風電建設的一個巨大市場。14%的市場份額將達到近900億美元，也是眾多頂級風機制造商準備進入的重要原因。
   4 復合材料風機葉片技術進展情況
   4.1 葉片設計技術
     葉片的設計包括氣動外型設計、結構設計、幾何參數、鋪層設計、防雷擊設計等，是集空氣動力學、復合材料結構、電氣等學科于一體的綜合型設計。在歐洲專門的葉片設計公司如AERODYN、CTC等均使用大約十余種軟件組成的系統進行綜合設計，以便葉片能夠實現低成本、高效率、優良的結構特性和工藝性。
   風機葉片設計規范：
     JB/T 10194《風力發電機組風輪葉片》、IEC61400-1《風力發電機組 安全要求》標準、德國勞埃德船級社《風力發電機組認證規范》
   4.1 葉片設計技術
     葉片載荷確定；葉片材料選擇；葉片的主體結構確定；葉片根部連接結構計算確定；　　　動力學設計；功率調節方式；防雷擊系統
   風機葉片設計創新：
     一體化葉片設計、優化設計使葉片結構簡單；內側使用高厚度翼型外部使用高升力翼型相結合；選用細長的葉型；
     自適應葉片
     目標是調整葉片頻率特性，降低疲勞載荷，增強性能。
   4.2 葉片制造技術
     葉片常用的制造工藝：
     手工鋪層濕法成型
     機器輔助濕法成型
     預浸料成型
     真空輔助成型
     拉擠成型
     RFI成型
     纏繞成型
   4.2 葉片制造技術
     幾種主要制造工藝的比較：

     比較項目預浸料成型手糊成型拉擠成型灌注成型
     層合板性能好較好中較好
     產品一致性好較好較差較好
     生產效率較高中較高好
     質量控制中較好中中
     工作條件較好差差好
     成本方面較高較低低較低
   4.2 葉片制造技術

     比較項目預浸料成型手糊成型灌注成型
     模具設備投入高低高
     制造基礎設施規劃高低中
     生產周期中中低
     工藝穩定性中中低/中
     制造成本水平取決于生產過程的實際水平和詳細資料
   4.2 葉片制造技術：
     國內目前的制造工藝以手糊成型為主；
     已經實現600KW和750KW機組葉片的批量生產；
     MW級以上葉片處在研制或引進階段；
     國外使用的成型技術主要有預浸料和真空灌注2種；
     已經設計并制造出用于5MW風電機組的61m葉片，并采用碳纖維與玻璃纖維的混雜使用；
     LM公司開發出56M的全玻纖葉片；
     NODEX公司則開發出54M的碳纖維葉片；
   5、存在的問題
    5.1、 國內缺乏復合材料風擠葉片設計的專業人才而國外已有20余年的設計制造歷史，數十名一流的專業設計師集中在幾個設計公司和制造企業，在葉片的設計方面積累了豐富的經驗；國外有專門的設計公司，開發出10余種專業軟件支持葉片設計，提高了效率和可靠性。
    5.2、在葉片的制造工藝方面，我國目前能實現批產的只有采用手糊工藝制造的葉片，而對于先進的制造技術如預浸料、RIM等工藝正處于試驗階段；而國外已經實現先進工藝的產業化應用，象LM公司、A&R公司均采用RIM工藝制造大型葉片，而GAMESA公司、VESTAS公司等也采用預浸料工藝制造葉片。
    5.3 、我國的風電機組認證機構剛成立不久，試驗條件、認證工作在起步階段；國外專業的認證機構(如GL,TÜV等）從設計開始就由資深專家參與審核工作，直到完成樣件制造并通過相關的試驗才能取得設計認證，建設有專業的試驗平臺；還有針對制造過程的工廠認證，從人員、材料、設備、生產現場條件、制造工藝過程等方面來控制產品質量，并設有專門的聯系人負責報告質量控制情況。