第一節(jié) 我國風電設備制造技術現(xiàn)狀及發(fā)展建議

太陽照射到地球表面,地球表面各處受熱不同,產(chǎn)生溫差,從而引起大氣的對流運動形成風,其攜帶的能量即風能。風吹動風機旋轉(zhuǎn)從而帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)發(fā)電稱風力發(fā)電即風電。風能是太陽能的一種轉(zhuǎn)化形式,是一種不產(chǎn)生任何污染排放的可再生自然能源。與太陽能、生物、地熱和海洋能發(fā)電相比,風電是當前技術和經(jīng)濟上最具商業(yè)化規(guī)模開發(fā)條件的新能源。

能源是經(jīng)濟社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎,要實現(xiàn)2020年中國GDP翻兩番的宏偉目標和國民經(jīng)濟的持續(xù)高速增長,僅靠常規(guī)能源難以解決能源和電力短缺。占電力供應70%的煤電燃料—煤炭,探明的剩余開采儲量為1390億t,按2003年開采速度16.67億t/a,僅能維持83a,還將帶來嚴重的環(huán)境污染。中國的石油資源不足,天然氣資源也不夠豐富,天然鈾資源短缺。中國水能資源經(jīng)濟可開發(fā)量為4.02億kW,年發(fā)電量1.7萬億kW·h,再經(jīng)過20～30a的開發(fā),70%左右將被開發(fā)完,僅靠水能是解決不了我國電力短缺的。

中國的風能資源十分豐富,根據(jù)國家氣象局估計,中國10m高度以內(nèi)可開發(fā)利用的地表風電能源約為10億kW,其中陸地2.5億kW,海上7.5億kW,如果擴展到50～60m以上高度,風力資源將有望擴展到20～25億kW。因此,風力發(fā)電是中國能源可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)實而重要的選擇。

風電機組(主要指并網(wǎng)風電機組)是風力發(fā)電的核心設備,其投資約占總投資的60%～80%。風電機組的生產(chǎn)和制造水平也是反映一個國家風電發(fā)展水平的重要因素,因此由進口轉(zhuǎn)化為國產(chǎn),可大大降低風電廠的投資,從而有力地促進風電的快速發(fā)展。

一、我國風電設備制造技術現(xiàn)狀

我國自1983年山東引進3臺丹麥Vestas55kW風力發(fā)電機組,開始了并網(wǎng)發(fā)電技術的試驗和示范。“七五”至“九五”期間國家把風電機組列為重點攻關項目,并制訂了一些優(yōu)惠政策,鼓舞中國風電廠的建設士氣和制造業(yè)發(fā)展風電機組生產(chǎn)技術的熱情。1986～1993年,全國共建12個風電廠,裝機容量達到13300kW,年均裝機1662.5kW;1994～1999年,全國風電(包括21個風電廠)共裝機249050kW,年均裝機41508kW。

中國風電廠新裝風機的單機容量經(jīng)歷了階躍式發(fā)展。1992～1996年主力機型為200～300kW機組,1997～2002年則為600kW機組。

中國風電機組中單機容量在310.1～749.9kW的占絕大多數(shù)。這是我國1997～2002年風電發(fā)展所取得的成果。

截止1999年底,中國風電廠共安裝國產(chǎn)機組29臺,總裝機容量8350kW,機組臺數(shù)和裝機容量分別占全國風電的4.9%和3.2%。目前風電廠安裝的國產(chǎn)機組生產(chǎn)來源主要有兩種,一種是自行科技攻關的樣機或后續(xù)生產(chǎn)的幾臺機組,由于技術和質(zhì)量問題,需要繼續(xù)改進;另一種是引進國外先進技術或與國外廠商合作生產(chǎn)的,部分部件用國產(chǎn)的替代,如輪轂、發(fā)電機和塔架等,且基本上能夠正常運行。通過支付技術轉(zhuǎn)讓費引進全套制造技術或與國外公司合資生產(chǎn)等方式。中國目前基本具備生產(chǎn)600kW機組的能力,國產(chǎn)化率可達90%。

中國從1984年研制200kW風電機組到現(xiàn)在已經(jīng)過了20多年,國產(chǎn)風電機組在我國尚未占有一席之地,可見完全靠自己研制來提高風電機組制造技術是很不夠的。

二、我國與世界先進制造技術的差距

世界上先進的風電設備制造商主要在丹麥(風電機組產(chǎn)量占世界市場一半份額)、德國和美國。德國是世界上風電機組臺數(shù)及容量最多的國家,也是風電技術領先的國家,其風電技術的演化路徑和發(fā)展趨勢,在一定程度上代表了世界風電技術的發(fā)展路徑和發(fā)展趨勢。增大單機容量、提高能源轉(zhuǎn)換效率、降低風電成本是風電技術的改進目標。影響單機發(fā)電容量的物理參數(shù)包括葉輪直徑和軸心高度。到20世紀90年代后期,已能生產(chǎn)MW級風電機組,隨著近海風電技術的推廣,3～5MW級的風電機組在市場中的比例日益提高。1989～2002年,德國風機平均軸心高度增加1倍,葉輪直徑增加2倍,發(fā)電容量提高了10倍左右。

現(xiàn)代風能利用技術的核心技術之一是控制調(diào)整能量輸出的穩(wěn)定性。風力發(fā)電機的調(diào)節(jié)技術有兩種手段:一是槳距不變,依靠發(fā)電機的調(diào)節(jié)適應不同轉(zhuǎn)速的輸入,確保電力輸出的穩(wěn)定性。定槳距調(diào)節(jié)技術的優(yōu)點是調(diào)節(jié)簡單可靠,控制也可大大簡化,缺點是槳葉、輪轂、塔架等主要受力部件受力增大。二是依靠變化槳距調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速,保證電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性。變槳距調(diào)節(jié)技術的優(yōu)點是能夠?qū)Ω鞣N不同的風速調(diào)節(jié)槳距,控制能量輸出,其對風速的調(diào)節(jié)范圍更寬,缺點是調(diào)節(jié)程序和工藝設計復雜。但從風電的調(diào)節(jié)技術發(fā)展趨勢來看,變槳距調(diào)節(jié)技術正在逐漸取代定槳距調(diào)節(jié)技術,變槳距變速調(diào)頻是世界上先進的主流技術。

目前中國風電裝機的主力機型是600kW機組,而2000年后世界風電市場的主力機型是兆瓦級的,且近海風電機組單機容量達到3～5MW。從風機葉片的直徑、軸心高度和風電機組的調(diào)節(jié)技術上,中國與世界先進水平差距亦較大。但近年來,中國風電機組制造技術提高迅速,可望在不遠的將來縮小和趕上世界風電設備制造的先進水平。

三、對我國風電建設的幾點建議

中國能源結構及能源可持續(xù)發(fā)展必須滿足國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的要求。為此,大力發(fā)展風電和快速提高風電設備制造技術水平是中國能源建設當務之急。根據(jù)目前中國風電設備制造技術現(xiàn)狀及與世界先進技術的差距,提出如下幾點建議。

1、制訂風電發(fā)展的優(yōu)惠政策

在國家發(fā)改委的統(tǒng)一領導和管理下,制訂風電建設的優(yōu)惠政策,調(diào)動各方面的積極性,大力發(fā)展風電,建議主要采取以下政策措施:

1)規(guī)定電網(wǎng)管理部門允許風電就近上網(wǎng),并收購全部上網(wǎng)電量;

2)按發(fā)電成本加還本付息、合理利潤的原則確定上網(wǎng)電價,高出電網(wǎng)平均電價部分,建議國家開征礦石能源消費稅進行補償,風電價格實行動態(tài)管理,每年進行核算和調(diào)整,使各方面保持發(fā)展風電的積極性;

3)風電設備生產(chǎn)企業(yè)屬高新技術產(chǎn)業(yè),享受國家相關的減免稅政策;

4)制訂政策導向的風電建設及風電設備制造技術的技術標準,如風電廠的建設規(guī)模和新裝風電機組單機容量要達到一定規(guī)模及容量要求等。

2、在引進設備的同時引進制造技術

建議通過100萬kW級大型風電廠建設,要求并鼓勵項目法人在風電設備的采購招標文件中明確:國外制造商要與國內(nèi)設備制造商聯(lián)合投標,國外企業(yè)為責任方,國內(nèi)企業(yè)為分包商,并附上明確分包比例,簽訂設計、制造、維修等技術轉(zhuǎn)讓協(xié)議。如果一個100萬kW級風電廠引進一家世界先進水平風電設備制造技術,幾個100萬kW級風電廠就能把世界上頂尖的風電制造技術引入到中國的風電制造企業(yè)中來,從而降低風電設備費和風電廠的建設成本,促進風電建設的大力發(fā)展。

3、引進消化注意過程控制

建議國家投入一定配套資金支持國內(nèi)企業(yè)進行生產(chǎn)設備的改造更新,并注意：

1)招標前,國內(nèi)外風電設備企業(yè)在與項目法人和設計單位交流時,國內(nèi)企業(yè)就要積極參與,從中了解國外企業(yè)的信息；

2)在招投標階段,積極為國內(nèi)企業(yè)創(chuàng)造條件,尋找國外愿意轉(zhuǎn)讓設計制造技術的合作伙伴,簽訂轉(zhuǎn)讓協(xié)議,參與投標；

3)在中標簽合同階段,國內(nèi)企業(yè)要積極參與問題澄清、合同談判,將轉(zhuǎn)讓協(xié)議作為合同附件,具備法定效力；

4)在工程的設計階段,國內(nèi)企業(yè)與國外企業(yè)聯(lián)合設計,并參與項目法人、工程設計單位與國外企業(yè)舉行的各次設計聯(lián)絡會,從而掌握風電設備的設計與工程設計或具體工程的結合;

5)生產(chǎn)設備改造后,在外方的指導和監(jiān)督下具體制造分包的部分;

6)在分包制造取得一定經(jīng)驗的基礎上進行整體制造;

7)無論是國外制造還是國內(nèi)制造,國內(nèi)廠家都應參加設備的安裝調(diào)試及試運行,從中發(fā)現(xiàn)問題,以利更好地提高產(chǎn)品質(zhì)量或找到改進的著眼點。

4、引進消化后再創(chuàng)新

在引進消化基礎上,建議國內(nèi)企業(yè)根據(jù)兩方面的要求進行再創(chuàng)新。根據(jù)安裝調(diào)試和試運行過程中發(fā)現(xiàn)的問題以及運行單位提出的要求,有針對性地進行改造,使引進的風電設備更完善,性能指標更高,運行更可靠,從某種意義上講這也是一種創(chuàng)新。在引進消化的基礎上結合中國風能資源特點研發(fā)新型的風電機組設備。如中國兩大風帶(三北地區(qū)及東南沿海)的風力資源與歐洲、北美的差別較大,北方有寒冬低溫、沙塵問題,南方有臺風、抗腐蝕、防雷電問題,在引進風電設備的基礎上結合中國的具體情況進行研發(fā),就能使引進的技術再創(chuàng)新。

第二節(jié) 風力發(fā)電機葉片材料的技術發(fā)展路線

葉片是風力發(fā)電機中最基礎和最關鍵的部件，其良好的設計、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證機組正常穩(wěn)定運行的決定因素。惡劣的環(huán)境和長期不停地運轉(zhuǎn)，對葉片的要求有：比重輕且具有最佳的疲勞強度和機械性能，能經(jīng)受暴風等極端惡劣條件和隨機負荷的考驗；葉片的彈性、旋轉(zhuǎn)時的慣性及其振動頻率特性曲線都正常，傳遞給整個發(fā)電系統(tǒng)的負荷穩(wěn)定性好；耐腐蝕、紫外線照射和雷擊的性能好；發(fā)電成本較低，維護費用最低。

對于風力發(fā)電機而言，碳纖維是即將來臨的潮流。一般較小型的葉片(如22m長)選用量大價廉的E-玻纖增強塑料，樹脂基體以不飽和聚酯為主，也可選用乙烯酯或環(huán)氧樹脂，而較大型的葉片(如42m以上)一般采用CFRP或CF與GF的混雜復合材料，樹脂基體以環(huán)氧為主。GE風能的葉片工程的全球經(jīng)理RameshGopalakrishnan說，設計師們在尋找輕質(zhì)高強度材料的過程中，選擇了碳纖維應用于葉片設計中。因此，玻璃纖維和碳纖維是目前葉片制造中最為重要的兩種材料。

為滿足上述要求，提高機組的經(jīng)濟性，葉片的尺寸增大可以改善風力發(fā)電的經(jīng)濟性，降低成本。葉片長度從1980年的4.5m發(fā)展到今天的61.5m，容量從當初的55kW發(fā)展到今天的5MW。1970年的風力機葉片主要有鋼材、鋁材或木材制成，今天選擇的材料以E-玻纖增強塑料(GFRP)居多，目前已開始采用碳纖維復合材料(CFRP)，葉片材料的開發(fā)順應了葉片大型化和輕量化的方向發(fā)展。

1、木制葉片及布蒙皮葉片

近代的微、小型風力發(fā)電機也有采用木制葉片的，但木制葉片不易做成扭曲型。大、中型風力發(fā)電機很少用木制葉片，采用木制葉片的也是用強度很好的整體木方做葉片縱梁來承擔葉片在工作時所必須承擔的力和彎矩。

2、鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片

葉片在近代采用鋼管或D型型鋼做縱梁，鋼板做肋梁，內(nèi)填泡沫塑料外覆玻璃鋼蒙皮的結構形式，一般在大型風力發(fā)電機上使用。葉片縱梁的鋼管及D型型鋼從葉根至葉尖的截面應逐漸變小，以滿足扭曲葉片的要求并減輕葉片重量，即做成等強度梁。

3、鋁合金等弦長擠壓成型葉片

用鋁合金擠壓成型的等弦長葉片易于制造，可連續(xù)生產(chǎn)，又可按設計要求的扭曲進行扭曲加工，葉根與輪轂連接的軸及法蘭可通過焊接或螺栓連接來實現(xiàn)。鋁合金葉片重量輕、易于加工，但不能做到從葉根至葉尖漸縮的葉片，因為目前世界各國尚未解決這種擠壓工藝。

4、玻璃鋼葉片

所謂玻璃鋼(glassfiberreinforcedplastic，簡稱GFRP)就是環(huán)氧樹脂、不飽和樹脂等塑料滲入長度不同的玻璃纖維或碳纖維而做成的增強塑料。增強塑料強度高、重量輕、耐老化，表面可再纏玻璃纖維及涂環(huán)氧樹脂，其它部分填充泡沫塑料。玻璃纖維的質(zhì)量還可以通過表面改性、上漿和涂覆加以改進。LM玻璃纖維公司現(xiàn)致力于開發(fā)長達54m的全玻纖葉片，其單位kWh成本較低。

5、玻璃鋼復合葉片

上世紀末，世界工業(yè)發(fā)達國家的大、中型風力發(fā)電機產(chǎn)品的葉片，基本上采用型鋼縱梁、夾層玻璃鋼肋梁及葉根與輪轂連接用金屬結構的復合材料做葉片。風力發(fā)電轉(zhuǎn)子葉片用的材料根據(jù)葉片長度不同而選用不同的復合材料，目前最普遍采用的是玻璃纖維增強聚酯樹脂、玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂和碳纖維增強環(huán)氧樹脂。美國的 研究 表明，采用射電頻率等離子體沉積去涂覆E-玻纖，其耐拉伸疲勞就可以達到碳纖維的水平，而且經(jīng)這種處理后可以降低能實際上導致?lián)p害的纖維間微振磨損。LM玻璃纖維公司進一步開發(fā)以玻璃鋼為主，在橫梁和葉片端部只少量選用碳纖維的61m大型葉片，以發(fā)展5MW的風力機。

6、碳纖維復合葉片

隨著發(fā)電單機功率的增大，要求葉片長度不斷增加，其在風力發(fā)電上的應用也將會不斷擴大。對葉片來講，剛度也是一個十分重要的指標。 研究 表明，碳纖維(carbonfiber，簡稱CF)復合材料葉片剛度是玻璃鋼復合葉片的兩至三倍。雖然碳纖維復合材料的性能大大優(yōu)于玻璃纖維復合材料，但價格昂貴，影響了它在風力發(fā)電上的大范圍應用。因此，全球各大復合材料公司正在從原材料、工藝技術、質(zhì)量控制等各方面深入 研究 ，以求降低成本。

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