风电设备制造技术现状及发展趋势

第一节 我国风电设备制造技术现状及发展建议

太阳照射到地球表面,地球表面各处受热不同,产生温差,从而引起大气的对流运动形成风,其携带的能量即风能。风吹动风机旋转从而带动发电机旋转发电称风力发电即风电。风能是太阳能的一种转化形式,是一种不产生任何污染排放的可再生自然能源。与太阳能、生物、地热和海洋能发电相比,风电是当前技术和经济上最具商业化规模开发条件的新能源。

能源是经济社会发展的重要物质基础,要实现2020年中国GDP翻两番的宏伟目标和国民经济的持续高速增长,仅靠常规能源难以解决能源和电力短缺。占电力供应70%的煤电燃料—煤炭,探明的剩余开采储量为1390亿t,按2003年开采速度16.67亿t/a,仅能维持83a,还将带来严重的环境污染。中国的石油资源不足,天然气资源也不够丰富,天然铀资源短缺。中国水能资源经济可开发量为4.02亿kW,年发电量1.7万亿kW·h,再经过20～30a的开发,70%左右将被开发完,仅靠水能是解决不了我国电力短缺的。

中国的风能资源十分丰富,根据国家气象局估计,中国10m高度以内可开发利用的地表风电能源约为10亿kW,其中陆地2.5亿kW,海上7.5亿kW,如果扩展到50～60m以上高度,风力资源将有望扩展到20～25亿kW。因此,风力发电是中国能源可持续发展的现实而重要的选择。

风电机组(主要指并网风电机组)是风力发电的核心设备,其投资约占总投资的60%～80%。风电机组的生产和制造水平也是反映一个国家风电发展水平的重要因素,因此由进口转化为国产,可大大降低风电厂的投资,从而有力地促进风电的快速发展。

一、我国风电设备制造技术现状

我国自1983年山东引进3台丹麦Vestas55kW风力发电机组,开始了并网发电技术的试验和示范。“七五”至“九五”期间国家把风电机组列为重点攻关项目,并制订了一些优惠政策,鼓舞中国风电厂的建设士气和制造业发展风电机组生产技术的热情。1986～1993年,全国共建12个风电厂,装机容量达到13300kW,年均装机1662.5kW;1994～1999年,全国风电(包括21个风电厂)共装机249050kW,年均装机41508kW。

中国风电厂新装风机的单机容量经历了阶跃式发展。1992～1996年主力机型为200～300kW机组,1997～2002年则为600kW机组。

中国风电机组中单机容量在310.1～749.9kW的占绝大多数。这是我国1997～2002年风电发展所取得的成果。

截止1999年底,中国风电厂共安装国产机组29台,总装机容量8350kW,机组台数和装机容量分别占全国风电的4.9%和3.2%。目前风电厂安装的国产机组生产来源主要有两种,一种是自行科技攻关的样机或后续生产的几台机组,由于技术和质量问题,需要继续改进;另一种是引进国外先进技术或与国外厂商合作生产的,部分部件用国产的替代,如轮毂、发电机和塔架等,且基本上能够正常运行。通过支付技术转让费引进全套制造技术或与国外公司合资生产等方式。中国目前基本具备生产600kW机组的能力,国产化率可达90%。

中国从1984年研制200kW风电机组到现在已经过了20多年,国产风电机组在我国尚未占有一席之地,可见完全靠自己研制来提高风电机组制造技术是很不够的。

二、我国与世界先进制造技术的差距

世界上先进的风电设备制造商主要在丹麦(风电机组产量占世界市场一半份额)、德国和美国。德国是世界上风电机组台数及容量最多的国家,也是风电技术领先的国家,其风电技术的演化路径和发展趋势,在一定程度上代表了世界风电技术的发展路径和发展趋势。增大单机容量、提高能源转换效率、降低风电成本是风电技术的改进目标。影响单机发电容量的物理参数包括叶轮直径和轴心高度。到20世纪90年代后期,已能生产MW级风电机组,随着近海风电技术的推广,3～5MW级的风电机组在市场中的比例日益提高。1989～2002年,德国风机平均轴心高度增加1倍,叶轮直径增加2倍,发电容量提高了10倍左右。

现代风能利用技术的核心技术之一是控制调整能量输出的稳定性。风力发电机的调节技术有两种手段:一是桨距不变,依靠发电机的调节适应不同转速的输入,确保电力输出的稳定性。定桨距调节技术的优点是调节简单可靠,控制也可大大简化,缺点是桨叶、轮毂、塔架等主要受力部件受力增大。二是依靠变化桨距调节风机转速,保证电机转子转速的稳定性。变桨距调节技术的优点是能够对各种不同的风速调节桨距,控制能量输出,其对风速的调节范围更宽,缺点是调节程序和工艺设计复杂。但从风电的调节技术发展趋势来看,变桨距调节技术正在逐渐取代定桨距调节技术,变桨距变速调频是世界上先进的主流技术。

目前中国风电装机的主力机型是600kW机组,而2000年后世界风电市场的主力机型是兆瓦级的,且近海风电机组单机容量达到3～5MW。从风机叶片的直径、轴心高度和风电机组的调节技术上,中国与世界先进水平差距亦较大。但近年来,中国风电机组制造技术提高迅速,可望在不远的将来缩小和赶上世界风电设备制造的先进水平。

三、对我国风电建设的几点建议

中国能源结构及能源可持续发展必须满足国民经济可持续发展的要求。为此,大力发展风电和快速提高风电设备制造技术水平是中国能源建设当务之急。根据目前中国风电设备制造技术现状及与世界先进技术的差距,提出如下几点建议。

1、制订风电发展的优惠政策

在国家发改委的统一领导和管理下,制订风电建设的优惠政策,调动各方面的积极性,大力发展风电,建议主要采取以下政策措施:

1)规定电网管理部门允许风电就近上网,并收购全部上网电量;

2)按发电成本加还本付息、合理利润的原则确定上网电价,高出电网平均电价部分,建议国家开征矿石能源消费税进行补偿,风电价格实行动态管理,每年进行核算和调整,使各方面保持发展风电的积极性;

3)风电设备生产企业属高新技术产业,享受国家相关的减免税政策;

4)制订政策导向的风电建设及风电设备制造技术的技术标准,如风电厂的建设规模和新装风电机组单机容量要达到一定规模及容量要求等。

2、在引进设备的同时引进制造技术

建议通过100万kW级大型风电厂建设,要求并鼓励项目法人在风电设备的采购招标文件中明确:国外制造商要与国内设备制造商联合投标,国外企业为责任方,国内企业为分包商,并附上明确分包比例,签订设计、制造、维修等技术转让协议。如果一个100万kW级风电厂引进一家世界先进水平风电设备制造技术,几个100万kW级风电厂就能把世界上顶尖的风电制造技术引入到中国的风电制造企业中来,从而降低风电设备费和风电厂的建设成本,促进风电建设的大力发展。

3、引进消化注意过程控制

建议国家投入一定配套资金支持国内企业进行生产设备的改造更新,并注意：

1)招标前,国内外风电设备企业在与项目法人和设计单位交流时,国内企业就要积极参与,从中了解国外企业的信息；

2)在招投标阶段,积极为国内企业创造条件,寻找国外愿意转让设计制造技术的合作伙伴,签订转让协议,参与投标；

3)在中标签合同阶段,国内企业要积极参与问题澄清、合同谈判,将转让协议作为合同附件,具备法定效力；

4)在工程的设计阶段,国内企业与国外企业联合设计,并参与项目法人、工程设计单位与国外企业举行的各次设计联络会,从而掌握风电设备的设计与工程设计或具体工程的结合;

5)生产设备改造后,在外方的指导和监督下具体制造分包的部分;

6)在分包制造取得一定经验的基础上进行整体制造;

7)无论是国外制造还是国内制造,国内厂家都应参加设备的安装调试及试运行,从中发现问题,以利更好地提高产品质量或找到改进的着眼点。

4、引进消化后再创新

在引进消化基础上,建议国内企业根据两方面的要求进行再创新。根据安装调试和试运行过程中发现的问题以及运行单位提出的要求,有针对性地进行改造,使引进的风电设备更完善,性能指标更高,运行更可靠,从某种意义上讲这也是一种创新。在引进消化的基础上结合中国风能资源特点研发新型的风电机组设备。如中国两大风带(三北地区及东南沿海)的风力资源与欧洲、北美的差别较大,北方有寒冬低温、沙尘问题,南方有台风、抗腐蚀、防雷电问题,在引进风电设备的基础上结合中国的具体情况进行研发,就能使引进的技术再创新。

第二节 风力发电机叶片材料的技术发展路线

叶片是风力发电机中最基础和最关键的部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。恶劣的环境和长期不停地运转，对叶片的要求有：比重轻且具有最佳的疲劳强度和机械性能，能经受暴风等极端恶劣条件和随机负荷的考验；叶片的弹性、旋转时的惯性及其振动频率特性曲线都正常，传递给整个发电系统的负荷稳定性好；耐腐蚀、紫外线照射和雷击的性能好；发电成本较低，维护费用最低。

对于风力发电机而言，碳纤维是即将来临的潮流。一般较小型的叶片(如22m长)选用量大价廉的E-玻纤增强塑料，树脂基体以不饱和聚酯为主，也可选用乙烯酯或环氧树脂，而较大型的叶片(如42m以上)一般采用CFRP或CF与GF的混杂复合材料，树脂基体以环氧为主。GE风能的叶片工程的全球经理RameshGopalakrishnan说，设计师们在寻找轻质高强度材料的过程中，选择了碳纤维应用于叶片设计中。因此，玻璃纤维和碳纤维是目前叶片制造中最为重要的两种材料。

为满足上述要求，提高机组的经济性，叶片的尺寸增大可以改善风力发电的经济性，降低成本。叶片长度从1980年的4.5m发展到今天的61.5m，容量从当初的55kW发展到今天的5MW。1970年的风力机叶片主要有钢材、铝材或木材制成，今天选择的材料以E-玻纤增强塑料(GFRP)居多，目前已开始采用碳纤维复合材料(CFRP)，叶片材料的开发顺应了叶片大型化和轻量化的方向发展。

1、木制叶片及布蒙皮叶片

近代的微、小型风力发电机也有采用木制叶片的，但木制叶片不易做成扭曲型。大、中型风力发电机很少用木制叶片，采用木制叶片的也是用强度很好的整体木方做叶片纵梁来承担叶片在工作时所必须承担的力和弯矩。

2、钢梁玻璃纤维蒙皮叶片

叶片在近代采用钢管或D型型钢做纵梁，钢板做肋梁，内填泡沫塑料外覆玻璃钢蒙皮的结构形式，一般在大型风力发电机上使用。叶片纵梁的钢管及D型型钢从叶根至叶尖的截面应逐渐变小，以满足扭曲叶片的要求并减轻叶片重量，即做成等强度梁。

3、铝合金等弦长挤压成型叶片

用铝合金挤压成型的等弦长叶片易于制造，可连续生产，又可按设计要求的扭曲进行扭曲加工，叶根与轮毂连接的轴及法兰可通过焊接或螺栓连接来实现。铝合金叶片重量轻、易于加工，但不能做到从叶根至叶尖渐缩的叶片，因为目前世界各国尚未解决这种挤压工艺。

4、玻璃钢叶片

所谓玻璃钢(glassfiberreinforcedplastic，简称GFRP)就是环氧树脂、不饱和树脂等塑料渗入长度不同的玻璃纤维或碳纤维而做成的增强塑料。增强塑料强度高、重量轻、耐老化，表面可再缠玻璃纤维及涂环氧树脂，其它部分填充泡沫塑料。玻璃纤维的质量还可以通过表面改性、上浆和涂覆加以改进。LM玻璃纤维公司现致力于开发长达54m的全玻纤叶片，其单位kWh成本较低。

5、玻璃钢复合叶片

上世纪末，世界工业发达国家的大、中型风力发电机产品的叶片，基本上采用型钢纵梁、夹层玻璃钢肋梁及叶根与轮毂连接用金属结构的复合材料做叶片。风力发电转子叶片用的材料根据叶片长度不同而选用不同的复合材料，目前最普遍采用的是玻璃纤维增强聚酯树脂、玻璃纤维增强环氧树脂和碳纤维增强环氧树脂。美国的研究表明，采用射电频率等离子体沉积去涂覆E-玻纤，其耐拉伸疲劳就可以达到碳纤维的水平，而且经这种处理后可以降低能实际上导致损害的纤维间微振磨损。LM玻璃纤维公司进一步开发以玻璃钢为主，在横梁和叶片端部只少量选用碳纤维的61m大型叶片，以发展5MW的风力机。

6、碳纤维复合叶片

随着发电单机功率的增大，要求叶片长度不断增加，其在风力发电上的应用也将会不断扩大。对叶片来讲，刚度也是一个十分重要的指标。研究表明，碳纤维(carbonfiber，简称CF)复合材料叶片刚度是玻璃钢复合叶片的两至三倍。虽然碳纤维复合材料的性能大大优于玻璃纤维复合材料，但价格昂贵，影响了它在风力发电上的大范围应用。因此，全球各大复合材料公司正在从原材料、工艺技术、质量控制等各方面深入研究，以求降低成本。

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