复合材料风机叶片市场展望及技术进展

                      北京玻钢院复合材料有限公司       薛忠民 总经理
   目   录
   1、风力发电的发展概况
   2、复合材料风机叶片简介
   3、复合材料风机叶片市场情况展望
   4、复合材料风机叶片技术进展　
   5、存在问题
   1、风力发电的发展概况
     风能作为一种具活力的可再生能源，具有取之不尽、用之不竭及绿色环保的特点。
     风力发电是利用风能将机械能转化为电能的一种方式，随着风力发电技术的日趋成熟，风电在能源结构中所占的比例也在逐年升高，也备受各国的关注。
   1.1 风电的发展概况
     风能利用已经有几千年的历史了，主要应用领域包括船舶航行、风车提水、排水造田等；
     1891年，丹麦建成了上台风力发电站；
     20世纪70年代以来，风力发电获得了较快发展，特别是独立运行的小型风力发电机组；
     进入20世纪90年代以来，风电装机容量年平均增长率超过30%，发电量由1996的122亿度增长增加到2003年的822亿度；
     随着风电技术的改进，风电机组越来越便宜和高效，风电成本也在逐年降低。就过去5年而言，风电的成本已下降了20％。
     随着科技进步和新型材料的出现，单台风电机组的发电功率从开始的几千瓦、几十千瓦发展到几百千瓦乃至如今大的五千千瓦，大功率、高效、高可靠性和高度自动化成为风电机组的发展方向；
     2004年底风电总装机容量达到4731.7万千瓦，比上一年增长20％左右，新增装机797.6万千瓦；
     随着风能的经济性持续提高，可以灵活的方式并网发电以及电力消耗不断增加，预计到2007年后风力发电的年增长率将加速，到2012年其年装机容量可望达到2.4×104MW，届时总发电能力将达到1.77×105MW，占到总电力市场的2％；预计到2020年总装机容量可达1.2×105MW，占到总发电量的10%；
   1.1 风电的发展概况图
   1.2 风电的发展概况
     我国从1983年开始引进批3台并网型发电机组开始，到1990年共建立了4个风电场，安装了32台风电机组，起到了并网风电项目的探索和示范作用；经过逐步推广和较大规模的建设阶段后，到2004年底共有43个风电场，累计风电机组1292台，装机容量76.4万kW。
     2005年2月28日通过的《共和国可再生能源法》确保了发展风电目标的持续性、电网公司要全额收购风电并获得一定的补偿和电价公开，极大的促进了投资者的热情。
     风电从2000年以来的发展情况
     风电场装机容量发展情况表(MW)                        
     2004年风电装机容量与前五位的比较图
     风电发展规划
   2、复合材料风机叶片情况简介
      在风力发电机组中，复合材料部件主要有：叶片、机舱罩、导流罩等，其中用量大的就是叶片。风力发电装置是转子的叶片，叶片的叶型设计、结构形式直接影响风力发电装置的性能和功率，是其中核心的部分，占整个风电机组成本的15～20%。                    
     风机叶片具有尺寸大、外形复杂精度要求高、对强度和刚度要求高、表面粗糙度要求高、要求质量分布均匀性好等特点。
   2.1 复合材料风机叶片情况简介
     复合材料用于风机叶片制造的特点
     采用复合材料制造风机叶片可以充分利用复合材料的可设计性，对叶片的强度、刚度、固有频率等基本参数进行优化设计；
     对于复杂的外形和表面要求，利用复合材料可以制作出形状复杂、轻质高强的叶片，而且维修性好、周期短、可以现场施工；由于复合材料具有疲劳强度高、缺口敏感性低、内部阻尼大、耐候性优良的特点，所以采用复合材料来制造风机叶片可以取得优异的综合性能国外叶片研制向大型化，低成本、高性能、轻量化发展，LM公司现已开发54m的全玻纤叶片，其单位KW小时成本很低，同时开发横梁和端部使用少量的碳纤维的61m大型叶片，以开发5MW风机。德国NordexRotor公司则开发56m长的碳纤维叶片，他们认为当叶片尺寸大到一定程度时，由于使用碳纤，材料用量的减少可以使其成本不高于玻纤复合材料。Nordex公司现已开发的44m叶片仅重9.6t。
     国内的叶片技术只能支持大750KW风机的使用，目前MW级以上的风机叶片全部要依赖于进口。国内近2~3年的主力机组为600KW和750KW机组；预计未来几年为1.2～1.5MW机组。大型风机叶片设计、制造、测试和可靠性评价技术的落后对我国风力发电技术发展的影响不容忽视。
   3、复合材料风机叶片市场情况展望
   3.1 叶片市场现状
   国外机组叶片大举进军市场
     以2004年市场情况为例，国外机组占到市场份额的75%，其所用的叶片主要依靠进口和外资企业；国内大的风机制造企业金风科技占到20%，叶片的情况相当；
     大的叶片制造商丹麦的LM公司于2001年在天津已经建立独资企业生产供应叶片；
     VESTAS公司也要在天津投资建立叶片制造厂；
     GAMESA公司计划在天津建总装厂；
   国内机组叶片企业逐渐发展
     我国目前大的叶片制造商是保定惠腾，其余的企业有上海玻璃钢研究所、北京万电公司等；
     目前保定惠腾有年产750KW叶片600片的生产能力，已经批产600KW 、750KW叶片；目前尚不具备批产MW级叶片的能力；
     上海玻璃钢研究所自行研发叶片已经有20余年的历史，但主要以科研为主，目前尚未批产叶片；
     北京万电公司也仅为其自己的600KW机组配套生产叶片；
   3.2 叶片市场展望
   国内情况
     2003年，发改委发出拟在范围选择20个10万KW以上的大型风电场通知，按目前8000元/KW造价计算，这项计划实施所涉及的投资规模将达到160亿元以上，其中叶片部分的大约会有30亿元的市场机会。
     按照我国的风电发展目标，从2005年开始，我国风电业真正进入高速增长期，到2005年底要完成装机100万千瓦，到2010年，平均每年增加60万KW，到2020年平均每年增长160万千瓦，其中蕴含着巨大的市场机会。
   国际情况
     根据2004年“风力12（wind force12）”发表的2005～2007年风电和电力需求的预测报告推算到2010年风电装机1.98亿千瓦，风电电量0.43×104亿度，2020年风电装机12.45亿千瓦，风电电量3.05×104亿度，占当时总电消费量25.58×104亿度的11.9％；                        
     据国际能源署（ＩＥＡ）预测，2020年，要达到12.6亿KW的风电容量，总投资估算约需6300亿美元，这将是机电制造业和风电建设的一个巨大市场。14%的市场份额将达到近900亿美元，也是众多顶级风机制造商准备进入的重要原因。
   4 复合材料风机叶片技术进展情况
   4.1 叶片设计技术
     叶片的设计包括气动外型设计、结构设计、几何参数、铺层设计、防雷击设计等，是集空气动力学、复合材料结构、电气等学科于一体的综合型设计。在欧洲专门的叶片设计公司如AERODYN、CTC等均使用大约十余种软件组成的系统进行综合设计，以便叶片能够实现低成本、高效率、优良的结构特性和工艺性。
   风机叶片设计规范：
     JB/T 10194《风力发电机组风轮叶片》、IEC61400-1《风力发电机组 安全要求》标准、德国劳埃德船级社《风力发电机组认证规范》
   4.1 叶片设计技术
     叶片载荷确定；叶片材料选择；叶片的主体结构确定；叶片根部连接结构计算确定；　　　动力学设计；功率调节方式；防雷击系统
   风机叶片设计创新：
     一体化叶片设计、优化设计使叶片结构简单；内侧使用高厚度翼型外部使用高升力翼型相结合；选用细长的叶型；
     自适应叶片
     目标是调整叶片频率特性，降低疲劳载荷，增强性能。
   4.2 叶片制造技术
     叶片常用的制造工艺：
     手工铺层湿法成型
     机器辅助湿法成型
     预浸料成型
     真空辅助成型
     拉挤成型
     RFI成型
     缠绕成型
   4.2 叶片制造技术
     几种主要制造工艺的比较：

     比较项目预浸料成型手糊成型拉挤成型灌注成型
     层合板性能好较好中较好
     产品一致性好较好较差较好
     生产效率较高中较高好
     质量控制中较好中中
     工作条件较好差差好
     成本方面较高较低低较低
   4.2 叶片制造技术

     比较项目预浸料成型手糊成型灌注成型
     模具设备投入高低高
     制造基础设施规划高低中
     生产周期中中低
     工艺稳定性中中低/中
     制造成本水平取决于生产过程的实际水平和详细资料
   4.2 叶片制造技术：
     国内目前的制造工艺以手糊成型为主；
     已经实现600KW和750KW机组叶片的批量生产；
     MW级以上叶片处在研制或引进阶段；
     国外使用的成型技术主要有预浸料和真空灌注2种；
     已经设计并制造出用于5MW风电机组的61m叶片，并采用碳纤维与玻璃纤维的混杂使用；
     LM公司开发出56M的全玻纤叶片；
     NODEX公司则开发出54M的碳纤维叶片；
   5、存在的问题
    5.1、 国内缺乏复合材料风挤叶片设计的专业人才而国外已有20余年的设计制造历史，数十名一流的专业设计师集中在几个设计公司和制造企业，在叶片的设计方面积累了丰富的经验；国外有专门的设计公司，开发出10余种专业软件支持叶片设计，提高了效率和可靠性。
    5.2、在叶片的制造工艺方面，我国目前能实现批产的只有采用手糊工艺制造的叶片，而对于先进的制造技术如预浸料、RIM等工艺正处于试验阶段；而国外已经实现先进工艺的产业化应用，象LM公司、A&R公司均采用RIM工艺制造大型叶片，而GAMESA公司、VESTAS公司等也采用预浸料工艺制造叶片。
    5.3 、我国的风电机组认证机构刚成立不久，试验条件、认证工作在起步阶段；国外专业的认证机构(如GL,TÜV等）从设计开始就由资深专家参与审核工作，直到完成样件制造并通过相关的试验才能取得设计认证，建设有专业的试验平台；还有针对制造过程的工厂认证，从人员、材料、设备、生产现场条件、制造工艺过程等方面来控制产品质量，并设有专门的联系人负责报告质量控制情况。