全球风力发电机叶片行业发展环境

第一节 风力发电机叶片简介

随着我国风能市场的扩大，风机制造业逐渐进入高速发展期。叶片是风力发电机的核心部件，造价约占整个设备的1/4到1/3。我国现有制造并销售叶片的工厂仅天津LM与保定中航惠腾两家，虽然LM与保定中航惠腾都在筹划扩建，但近期内难以满足市场的需求。风力发电机叶片是风力发电系统的关键动部件，直接影响着整个系统的性能，并要具有长期在户外自然环境条件下使用的耐候性。因此，叶片的制造质量水平十分重要。

第二节 风力发电机叶片材料、设计与制造工艺

复合材料风机叶片是风力发电系统的关键动部件，直接影响着整个系统的性能，并要具有长期在户外自然环境条件下使用的耐候性和合理的价格。因此，叶片的材料、设计和制造质量水平十分重要，被视为风力发电系统的关键技术和技术水平代表。影响风机叶片相关性能的因素主要有原材料、风机叶片设计及叶片的制造工艺三种。

一、风机叶片的原料

目前的风力发电机叶片基本上是由聚酯树脂、乙烯基树脂和环氧树脂等热固性基体树脂与E－玻璃纤维、S－玻璃纤维、碳纤维等增强材料，通过手工铺放或树脂注入等成型工艺复合而成。

对于同一种基体树脂来讲，采用玻璃纤维增强的复合材料制造的叶片的强度和刚度的性能要差于采用碳纤维增强的复合材料制造的叶片的性能。但是，碳纤维的价格目前是玻璃纤维的10左右。由于价格的因素，目前的叶片制造采用的增强材料主要以玻璃纤维为主。随着叶片长度不断增加，叶片对增强材料的强度和刚性等性能也提出了新的要求，玻璃纤维在大型复合材料叶片制造中逐渐出现性能方面的不足。为了保证叶片能够安全的承担风温度等外界载荷，风机叶片可以采用玻璃纤维/碳纤维混杂复合材料结构，尤其是在翼缘等对材料强度和刚度要求较高的部位，则使用碳纤维作为增强材料。这样，不仅可以提高叶片的承载能力，由于碳纤维具有导电性，也可以有效地避免雷击对叶片造成的损伤。

风电机组在工作过程中，风机叶片要承受强大的风载荷、气体冲刷、砂石粒子冲击、紫外线照射等外界的作用。为了提高复合材料叶片的承担载荷、耐腐蚀和耐冲刷等性能，必须对树脂基体系统进行精心设计和改进，采用性能优异的环氧树脂代替不饱和聚酯树脂，改善玻璃纤维/树脂界面的粘结性能，提高叶片的承载能力，扩大玻璃纤维在大型叶片中的应用范围。同时，为了提高复合材料叶片在恶劣工作环境中长期使用性能，可以采用耐紫外线辐射的新型环氧树脂系统。

二、风机叶片的设计

以最小的叶片重量获得最大的叶片面积，使得叶片具有更高的捕风能力，叶片的优化设计显得十分重要，尤其是符合空气动力学要求的大型复合材料叶片的最佳外形设计和结构优化设计的重要性尤为突出，它是实现叶片的材料/工艺有效结合的软件支撑。另外，计算机仿真技术的应用也使得叶片的结构与层合板设计更加细化，有力的支持了最佳工艺参数的确定。

早在1920年，德国的物理学家AlbertBetz就对风力发电叶片进行过详细的计算。基于当时的计算条件和对风力发电叶片的认识，Betz在叶片计算时采用了一些假设条件。随着计算机技术发展，计算手段的显著提高，风力发电技术的快速发展，人们对风力发电叶片的认识和理解也在逐渐深入。尤其是近十年来，经过研究人员对风力发电叶片进行的多次现场载荷、声音和动力测量以后，发现叶片的理论预测值与实际记录值有较大的偏离。这可能是由于过多的相信了风洞实验，而对叶片服役期间可能遇到的较强动态环境和湍流条件考虑不足造成的。因此，一些相关人员对当时的叶片计算采用假设条件提出了质疑。

流体动力学计算和软件的改进使得研究人员能够更精确的模拟叶片实际的受力状态。在此基础上，进一步改善叶片的空气动力学特征，即使叶片在旋转速度降低5％的情况下，捕风能力仍可以提高5％；随着叶片旋转速度的降低，叶片运行的噪音大约可以降低3dB。同时，较低的叶片旋转速度要求的运行载荷也较低，旋转直径可以相应的增加。在此项研究的基础上，德国的Enercon公司将风力发电机的旋转直径由30米增加到33米，复合材料叶片也随着相应的增加。由于叶片长度的增加，叶片转动时扫过的面积增大，捕风能力大约提高25％。

Enercon公司还对33米叶片进行了空气动力实验，经过精确的测定，叶片的实际气动效率为56％，比按照Betz计算的最大气动效率低约3～4个百分点。为此，该公司对大型叶片外形型面和结构都进行了必要的改进：包括为了抑制生成扰流和旋涡，在叶片端部安装“小翼”；为改善和提高涡轮发电机主舱附近的捕风能力，对叶片根茎进行重新改进，缩小叶片的外形截面，增加叶径长度；对叶片顶部和根部之间的型面进行优化设计。在此基础上，Enercon公司开发出旋转直径71米的2MW风力发电机组，改进后叶片根部的捕风能力得异提高。

Enercon公司在4.5MW风力发电机设计中继续采用此项技术，旋转直径为112米的叶片端部仍安装的倾斜“小翼”，使得叶片单片的运行噪音小于3个叶片(旋转直径为66米)运行使产生的噪音。

丹麦的LM公司在61.5米复合材料叶片样机的设计中对其叶片根部固定进行了改进，尤其是固定螺栓与螺栓空周围区域。这样，在保持现有根部直径的情况下，能够支撑的叶片长度可比改进前增加20％。另外，LM公司的叶片预弯曲专有技术也可以进一步降低叶片重量和提高产能。

三、风机叶片的制造工艺

随着风力发电机功率的不断提高，安装发电机的塔座和捕捉风能的复合材料叶片做的越来越大。为了保证发电机运行平稳和塔座安全，不仅要求叶片的质量轻也要求叶片的质量分布必须均匀、外形尺寸精度控制准确、长期使用性能可靠。若要满足上述要求，需要相应的成型工艺来保证。

传统复合材料风力发电机叶片多采用手糊工艺（Hand Lay-up）制造。手糊工艺的主要特点在于手工操作、开模成型（成型工艺中树脂和增强纤维需完全暴露于操作者和环境中）、生产效率低以及树脂固化程度（树脂的化学反应程度）往往偏低，适合产品批量较小、质量均匀性要求较低复合材料制品的生产。因此手糊工艺生产风机叶片的主要缺点是产品质量对工人的操作熟练程度及环境条件依赖性较大，生产效率低和产品的而且产品质量均匀性波动较大，产品的动静平衡保证性差，废品率较高。特别是对高性能的复杂气动外型和夹芯结构叶片，还往往需要粘接等二次加工，粘接工艺需要粘接平台或型架以确保粘接面的贴合，生产工艺更加复杂和困难。手糊工艺制造的风力发电机叶片在使用过程中出现问题往往是由于工艺过程中的含胶量不均匀、纤维/树脂浸润不良及固化不完全等引起的裂纹、断裂和叶片变形等。此外，手糊工艺往往还会伴有大量有害物质和溶剂的释放，有一定的环境污染问题。因此，目前国外的高质量复合材料风机叶片往往采用RIM、RTM、缠绕及预浸料/热压工艺制造。其中RIM工艺投资较大，适宜中小尺寸风机叶片的大批量生产（>50,000片/年）；RTM工艺适宜中小尺寸风机叶片的中等批量生产（5,000-30,000片/年）；缠绕及预浸料/热压工艺适宜大型风机叶片批量生产。

RTM工艺主要原理为首先在模腔中铺放好按性能和结构要求设计好的增强材料预成型体，采用注射设备将专用低粘度注射树脂体系注入闭合模腔，模具具有周边密封和紧固以及注射及排气系统以保证树脂流动顺畅并排出模腔中的全部气体和彻底浸润纤维，并且模具有加热系统可进行加热固化而成型复合材料构件。其主要特点有：

闭模成型，产品尺寸和外型精度高，适合成型高质量的复合材料整体构件（整个叶片一次成型）；

初期投资小(与SMC及RIM相比)；

制品表面光洁度高；

成型效率高（与手糊工艺相比），适合成型年产20，000件左右的复合材料制品；

环境污染小(有机挥发份小于50ppm，是唯一符合国际环保要求的复合材料成型工艺)。

由此可看出，RTM工艺属于半机械化的复合材料成型工艺，工人只需将设计好的干纤维预成型体放到模具中并合模，随后的工艺则完全靠模具和注射系统来完成和保证，没有任何树脂的暴露，并因而对工人的技术和环境的要求远远低于手糊工艺并可有效地控制产品质量。RTM工艺采用闭模成型工艺，特别适宜一次成型整体的风力发电机叶片（纤维、夹芯和接头等可一次模腔中共成型），而无需二次粘接。与手糊工艺相比，不但节约了粘接工艺的各种工装设备，而且节约了工作时间，提高了生产效率，降低了生产成本。同时由于采用了低粘度树脂浸润纤维以及采用加温固化工艺，大大提高了复合材料质量和生产效率。RTM工艺生产较少的依赖工人的技术水平，工艺质量仅仅依赖确定好的工艺参数，产品质量易于保证，产品的废品率低于手糊工艺。

RTM工艺与手糊工艺的区别还在于，RTM工艺的技术含量高于手糊工艺。无论是模具设计和制造、增强材料的设计和铺放、树脂类型的选择与改性、工艺参数（如注射压力、温度、树脂粘度等）的确定与实施，都需要在产品生产前通过计算机模拟分析和实验验证来确定，从而有效保证质量的一致性。这对生产风力发电机叶片这样的动部件十分重要。

第三节 风力发电机叶片相关政策展望

一、国家将出台政策扶持风力发电设备产业

近日，国家发展和改革委能源研究所可再生能源发展中心主任王仲颖在“可再生能源发展论坛”上表示，当前，我国具有自主知识产权的风电机组整机缺口很大，风电机组制造的核心技术国内尚不掌握。对此，国家发展和改革委与财政部正在研究制定风电机组整机与零部件国产化的支持方案，或将对拥有自主知识产权的风电电机的整机及零部件的制造给予资金支持。

目前，从我国风电设备的发展水平看，虽然已具备600kW和750kW风力发电机组的批量生产能力，但我国大部分风电设备制造企业仍停留在中低端设备的设计与制造水平。中国风能协会副理事长施鹏飞表示，由于核心技术的缺失，我国目前能批量生产的电机设备都是发达国家10年前生产的产品。

在高端风电电机产品的研发方面，我国部分企业虽然已迈入了兆瓦级的设计制造领域，但由于缺乏野外运行的检验(设备的质量要经过大约20年的野外运行考核)，样机的推广还存在一定困难。

施鹏飞指出，国内风电设备市场很广阔，但由于国内企业设计能力薄弱，高端设备技术大多掌握在外方手中，致使大部分国内市场被进口设备垄断。据统计，2004年，我国风电设备新增市场份额中，国产设备只占25％，进口产品占75％；2005年，风电设备新增市场份额中，进口设备占70％以上；2006年，我国风电设备市场60％的需求仍由进口产品满足。

随着我国能源发展战略的实施，国内风电设备的市场逐年扩大。在国家发展和改革委制定的《风力发电中长期发展规划》中明确指出，到2010年底，全国风电总装机规模达到400万kW；到2015年底，全国风电总装机规模达到1000万kW；到2020年底，全国风电总装机规模达到2000万kW。

风电规模化发展给风电设备制造业的发展提供了广阔的市场空间。如何实现风电设备的国产化已成为我国加快风电产业发展的当务之急。

据悉，政府将对风电设备产业的发展给予相应的政策性支持。由于风电设备行业自身的特殊性，目前，对其整机或零部件的支持力度孰重孰轻，相关部门仍在研究审议中。

由于风电产业投资存在周期长与风险高等特点，专家认为，国家应在风电设备自主化方面给予大力支持。例如，国家应从法律法规、检测认证方面来推进风电设备产业的发展。

目前，科技部已将风电设备产业化列入《2007年度科技型中小企业技术创新基金若干重点项目指南》的重点支持项目中。科技部相关负责人表示，国家将通过贷款贴息等方式支持大、中型风力发电机组产品的产业化。

二、国家将制订专门政策鼓励国产大功率风力发电设备

由于国家大力发展风力发电，去年以来，风力发电设备十分紧俏，价格大幅度增长。国家将制订专门政策鼓励国产大功率风力发电设备。

国家发改委副主任张国宝说：“原来我们规划是到2010年能够建到200万千瓦风电机组，但从现在发展形势来看，完全可以大大超过，甚至于可以达到1000万千瓦。风力设备制造商的任务订单都非常饱满。”

由于我国大型风力发电的设备主要靠进口，或者是进口技术和部件组装，目前尽管我国有30多家风力发电设备制造厂家，但是多数只能制造750千瓦以下的小风力发电机，能生产1500千瓦以上的大型风力发电机的厂家只有３家，且产量很小。以建设一台1500千瓦的机组为例，1300万元的造价中，买风机就要花掉1000万元，这意味着未来上千亿元的市场蛋糕，大头都进了外国人的腰包。

据了解，目前国际上风力发电机的订单已经排到2009年，价格也上涨了25％，国家正在制定鼓励国内企业生产大风电机组的规划和优惠政策，预计年内就会出台。

三、鼓励风力发电的税收优惠政策

风力发电的成本主要是固定资产投资成本，约占总投资的85％以上。按照我国增值税抵扣政策，固定资产投资的增值税不能抵扣。风力发电执行17％的增值税税率，因为没有购买燃料等方面的抵扣，因此风力发电实际税负明显高于火力发电。针对风力发电上述问题，国家经贸委在深入调查研究的基础上，经与财政部、国家税务总局协调，提出给予风力发电减免增值税优惠政策的建议，以鼓励风力发电产业的进一步发展。经国务院批准，财政部和国家税务总局联合下发文件明确：对风力发电实行按增值税应纳税额减半征收的优惠政策。

按照新的税收政策，我国风电电价平均将降低约5－6分钱，新建风电场电价水平有望降低到0.50元/千瓦以下，这将会对我国风力发电产业化发展产生积极的影响。

四、风力发电将享受多项优惠政策

我国风力发电、已进入了大发展时期，但技术产能、市场、均还主要控制在、外国公司手中，我国的制造业、眼看着真金白银、流入别人腰包。我国到2010年和2020年风力发电装机分别达到500万和3000万千瓦的宏伟目标并且（正在制定相关的包括电价和分摊等等优惠政策。

要达到风电装机3000万千瓦的规模就意味着今后每年风电机组制造市场有200亿元的规模。但是目前，我国生产的风电机组只占国内市场的不到30％，并且主要是中小型的机组。而我国待开发的风能储量大约有10亿千瓦，相当于现在全国发电总装机容量的两倍，市场前景巨大。