国内兆瓦级玻璃钢风机叶片市场分析和国际技术走势

    2010年9月7日,发改委能源研究所副所长戴彦德在“21世纪论坛”表示,“十二五”(2011-2015)期间平均每年新增装机容量800万千瓦。应对气候变化,我国风电产业进入快速规模化发展阶段,大型并网风电总装机容量从2000年的35万千瓦增长到了2009年的1613万千瓦,年均增长53%,累计风电总装机容量达到了2580万千瓦。可再生能源学会风能专业委员会主任贺德馨预测,今年我国风电装机容量将达到4000万千瓦左右。到2020年,装机容量将达到1.5亿到2亿千瓦,那时,风力发电比例将占我国总发电比例的3%-5%。
    风电设备的快速增长,也带动了兆瓦级叶片和玻璃钢复合材料产量的增长。(表一)
    表一:2009年-2010年新增风电装机容量相配置叶片、机仓罩测算总量表

年份

新增和累计

容量(万KW

1.5MW配置

发电机台数

相配套叶

片数(支)

机仓罩

(台)

叶片总重

量(万吨)

机仓罩总

量(吨)

FRP总量

(万吨)

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风电设备配套叶片、机仓罩、导流罩等总量概算为6吨×3+2.8吨=20.8吨/台(2.8吨包括导流罩重量),2010年实际消耗玻璃钢总量为9460×20.8=19.66(万吨)。按树脂、玻纤4:6比概算、玻纤用量达11.8万吨,树脂用量为7.8万吨,其余为结构泡沫。在玻纤品种用量上,高性能玻纤占85%,E玻纤为15%。在热固性树脂用量上,环氧树脂用量占70%以上,其余为环氧乙烯基酯树脂(VER)和不饱和聚酯树脂(UPR)。随着叶片市场竞争和性价比,2MW叶片正在逐步采用环氧乙烯基酯树脂,5MW以上基本上采用环氧树脂。国内叶片制造从设计、材料到工艺加快采用国外技术对国内快速的风电产业起到了“技术成熟、拿来就用、立竿见影”的效果,但也给跨国公司从风叶设计到制造提供了产业链的机会。设计方面,有德国Gerodyn和荷兰CTC;论证方面有GL和SGS;材料方面有高性能玻璃纤维、树脂和夹芯结构等。整个叶片市场,跨国企业占了主导地位,国内企业处于研发阶段和量产。
    玻纤方面:OCV和PPG先后推出Advantax和HXBON2026高性能纤维。近,OCV在16届北京国际复材展上推出了商品牌号为Ultrablad高性能织物。据介绍,这种织物与环氧复合,叶片可加长6%、刚度提高20%、叶片厚度减少6%、总重量减少5%,同规格2MW叶片玻璃钢部分可减重达1吨。PPG公司向风能叶片行业推出了高强、抗疲劳玻璃纤维,开发的HYBON2026与目前市场上用与制作叶片的玻纤产品相比,拉伸强度高出20%,抗疲劳强度高出数倍以上。
    多轴向织物是叶片重要增强材料。它使织物的纱线层能按照特定的方向伸直取向,一方面达到了结构方向的增强效果,另一方面其平行伸直、无卷曲,每根纤维力学理论值的利用率几乎能达到100%,因此,采用于叶片结构具有独特优势。常州宏发纵横、常州天常、ocv北京窦店、常州维特克斯、昆山天能、SAEKTEX、中航、重庆国际等中外资企业囊刮了国内叶片市场纤维用量的90%,而其多轴向纤维90%来自OCV、PPG和重庆国际等企业。国内有关企业在满足兆瓦级叶片材料上也开展了大量的研制开发工作,泰山、巨石的高性能纤维也进入了市场。
    合成树脂方面:目前,用于兆瓦级叶片制作用环氧树脂基本上由外企供给,其性价比和稳定性胜我一筹。据有关方面了解,进口环氧主体成分为双酚A环氧和1.4一丁二醇二缩水甘油醚,与国内环氧主体成分比较,制造成本偏低。亚什兰公司在2-3MW叶片制造用环氧乙烯基酯树脂和不饱和聚酯树脂的推广应用上取得显著成果,在转让DoW化学环氧乙烯基树脂的后,在风叶制造用树脂上进行了设计和创新,为用户提供了低粘度、高强度树脂,满足了叶片的性能,且优于环氧的工艺性和制造成本的降低。目前,中石化巴陵石化公司宣布将于明年8月31日正式试车投产邻甲酚醛环氧树脂一万吨,若配置叶片用环氧树脂调和液,可达到10多万吨。
    叶片用树脂出现一些新动向。拜尔公司不久前推出商品化牌号Baytube碳纳米管用于环氧树脂中,提升叶片的抗疲劳、抗冲击性和改善材料回弹性。该公司透露,采用碳纳米管于树脂中,将使叶片重量减轻20-30%,强度增大30%。另一个是热固性聚氨酯树脂的采用,拜耳集团旗下的美国拜耳材料科技公司获得美国能源部75万美元拨款,用来研究用碳纳米管增强聚氨酯复合材料,制造1.5MW以上的更大、更强、更轻的风力发电机叶片。美国凯斯西储大学和模塑玻璃纤维公司也参与了这项研究。拜耳称这种用碳纳米管增强的聚氨酯体系,可使强度重量比提高超过50%;该项目还将探索把低挥发性有机化合物(VOC)聚氨酯基材料作为低排放技术进一步减少碳足迹。除了提供强度更高的复合材料结构外,聚氨酯基体系还使用了生物基组分,并可省去后固化工序来降低能耗。
    轻质闭孔高强度泡沫为叶片提供轻型结构。据瑞典DIAB公司资料报导,已用于60米长的风机叶片芯材。采用这种芯材及导流技术,可减少50%的周期时间,降低30%的劳动力成本,与敞开型技术相比,夹芯导流技术减少90%的苯乙烯散发,并使整个叶片达到轻质高强。国内夹芯材料市场上,提供各类材质的夹层结构还有Gurit和思瑞安。
    表二  兆瓦级叶片用组合材料

序号

品种

外资企业

国内企业

1

高性能玻璃纤维

OCVPPGAGY

重庆国际、泰山、巨石

多轴向玻纤织物及复合毡

维特克斯、PPG、天能、SAERTEX

宏发、天常、重庆国际、泰山、中航、天马、联洋、振石、成如旦、金牛

2

环氧树脂(EP

DOWHUNTSMANHEXION、长濑、惠利、上纬

华昌、株洲时代、东方电气

环氧乙烯基酯树脂(VER

亚什兰、DSM、长兴、上纬、雷可德

华昌

不饱和聚酯树脂(UPR

亚什兰、DSM、华日、长兴、雷可德

 

3

巴而萨轻木

各大FRP材料特约经销:科拉斯、康浦萨、信宏、沥高、瑞洋、米德、奥尔泰

闭孔结构泡沫

DIABGurit、德固赛、思瑞安、阿乐斯

天晟、美沃

4

结构胶

ITW(依工)、LORD(络德)、3M、亚什兰

TSP、康达、立威

5

涂料

AKZOPPGBASFMANKIEWICZSIGMA(式玛卡龙)、HEMPEL(赫普)

中涂化工、中远关西

6

预浸料

HEXCELCGLGurit

光威

 

    这些年来国内风电行业的快速发展,设计软件大都从国外引进,这也导致了国内设计举步维艰。空动研究与发展中心近几年来积极参与了有关企业的叶形设计,中心先后为沈阳风电设备发展有限责任公司和上海某研究设计院完成了3MW以下的叶形设计。积极参与国内叶片技术合作的还有中科宇能、保定华翼、沈阳工大风能所等。浙江联洋公司利用多年在国外工贸合作的优势,组织叶片整套技术设计在国内的转移,取得明显的效果。 [-page-] 
    模具制作方面。北京恒吉星复材技术开发中心积累多年环氧制模的成热经验,先后为中复连众承担了数十套1.5-3.5MW的环氧模具制作任务,并与连众科技人员积极进行交流合作,优势互补,使模具制造水平步入国内一流,其为国内三家大型风电企业和其他企业完成了80多套环氧模制作任务。此外,在江苏昆山的外资企业红枫风电模具有限公司,面临叶片长度转换时机,积极做好技术准备,及时为风电企业开发了2MW以上的模具。
    国内风电市场快速增长,单塔电能产能的要求越来越高,其走势将是两个方面:一是纵观叶片技术的发展趋势,并兼顾风机效能和降低成本两因素,机单功率愈大,每KW的发电成本就愈低。 风电设备都在向兆瓦级大功率和长叶片方向开发,叶片长度的不断增加使得轻质、高强的碳纤维在风力发电上应用不断扩大,大丝束碳纤维价格的下降成为风机叶片的选结构材料。据有关信息,为了增加叶片的刚度并防止叶尖预弯部碰到塔架,在长度大于50m的叶片将广泛使用碳纤维。二是风电发展由陆上扩展到海上,叶片的长度以陆上3-5MW为主扩展到海上5-10MW为主的趋势。海上风电发展将带来前所未有的环境风险和技术风险。据有关方面获悉,去年11月,由挪威石油公司和挪威政府共同投资开发的座深海浮式海上风电设备。这座几乎集中了当今海上风电尖端技术的浮式风力发电设备的建造,标志着先进的欧洲风电业将开进深海风电市场。还有一则消息是总部设在美国加利福尼亚州的Clipper Windpower,公司正在英格兰东北部建造一座大型工厂设施,并准备生产一台单塔发电量达10兆瓦的巨型风力发电机,用于近海风能发电设施的部署。
    我国风电市场快速增长,给叶片企业带来巨大商机。国内叶片规模企业有外资的LM、中资有中复连众、中材科技、中航保定惠腾等,此外,主要整机企业自行生产叶片有东汽、株洲时代、中山明阳、金风科技、三一重工、国电联动、重庆海装,另所金风科技已并购东部沿海两家叶片制造企业等,但机遇伴随着各种挑战。在能源政策的统领下,我们应该抓紧建立大叶片的产业创新联盟,集中优势,攻克尖端,抓紧建立高水平的上下游产业链,使我国大叶片制造技术融入经济一体化,立足国内市场,进取海外市场。