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風電葉片“大”時代已至

發布時間:2019-11-21 20:53:17 已有: 人閱讀

  從線年算起,中國風電行業已走過了十幾年的歷程,技術能力早已今非昔比。隨著風電行業的快速發展,風電葉片的變革趨勢也越來越明顯,用一個字來形容就是“大”。無論是陸上風電還是海上風電,葉片尺寸均呈現越來越大的趨勢。

  在即將平價上網的大背景下,采用大兆瓦風機成為風電降本增效的最有效途徑,而如何實現風電高發電量、低成本和輕量化,成為業界關注的焦點問題。

  業界人士普遍認為,如何匹配大容量風機的葉片,是行業面臨的挑戰。無論是風電葉片設計,還是生產制造,只有做到精細化才能降低風電成本。

  今年,中國海上風電市場新增了7.25MW、8MW及10MW機組,陸上風機最大容量將刷新至6MW。隨著風機容量增大,被譽為風機“靈魂”的葉片長度也隨之增長,目前世界最大的風機葉片已經刷新至107米。

  國家發改委和國家能源局此前下發的《能源技術創新行動計劃(2016-2030年)》(以下簡稱《計劃》)就提出,把高效葉片氣彈、輕量化結構、新材料相結合的一體化設計技術和100米及以上風電葉片列為未來風電技術創新重點突破目標;科技部今年發布的《2019年國家重點研發計劃重點專項項目申報指南》也提出,開展10MW級海上風電機組樣機研制與檢測試驗技術、新型輕量超長柔性葉片技術、超長葉片一體化設計技術等研究。由此可見,國家已把超長風電葉片列為風電技術創新重點研發的目標。

  “機組大型化已成為風電行業發展趨勢,未來五年,陸上風機的風輪直徑將超過200米。”明陽智慧能源集團股份公司風能研究院副院長李軍向日前在“風電葉片大型化技術論壇”上預測,風電葉片大型化、輕量化、低成本是發展趨勢。

  “葉片終究是妥協的產物,妥協其實就是平衡。”李軍向認為,葉片發展到今天,大型化方向已經明朗。葉片長度越來越長,對材料類型與性能、氣動與結構設計、制作工藝等要求更高,如何在葉片又大又輕中間找到平衡是關鍵。“在低成本、優化設計(高效率)、降低制造難度的要求下,我們面臨著很多挑戰。”

  首先是風機葉片材料的約束。眾所周知,風輪直徑的大小,直接取決于葉片的長短,而葉片長度在一定程度上決定風電機組的發電水平及整機成本。目前,葉片成本約占風機價格總成本的20%左右,葉片材料占葉片成本80%,甚至85%以上。“低成本的材料意味著低性能,所以葉片材料可選余地非常有限,包括全玻纖碳玻混鋪、碳玻混編PS/SS單面碳玻混、全碳纖主梁等,只能有限選擇再做靈活性運用。”李軍向坦言。

  維斯塔斯風力有限公司技術專家孫樹偉也認為:“未來風電行業需要的葉片鋼度要大、強度要高、重量要輕。”他認為,像當年玻璃纖維代替金屬一樣,碳纖維葉片也將代替玻璃纖維葉片。相較于傳統的玻璃纖維葉片,碳纖維葉片的重量更輕,根據具體的設計翼型和長度,可降低葉片重量30%-50%。

  但是,對國內大部分廠家而言,碳纖維仍是昂貴的材料。“目前,平價時代的最高性價比選擇仍以玻璃纖維為主。在葉片中注入碳纖維成本高,工藝難度較大,生產碳纖維葉片尚存在一定難度。不過,我們也在研究碳纖維葉片。”上海艾郎風電科技發展集團有限公司技術中心技術總監助理劉華偉向記者坦言。

  第二個挑戰是氣動和結構的矛盾。越來越長將使葉片變形及重量增加,導致氣動效率降低,從而影響發電量。“而要取得風機高發電量、高效率,翼型將更薄、需要更高的升阻比。所以,葉片終究是一個妥協的產物。在葉片又大又輕、低成本、制造難度等各種因素之間找到平衡。”李軍向表示。

  李軍向介紹,葉片大型化面臨的另一個突出問題是氣彈問題。葉片長度在40-60米時,氣彈問題并不突出,甚至感覺不到其存在。當葉片大型化以后,氣彈問題凸顯出來。從技術角度來看,氣彈問題有四方面影響因素:即剪切中心、質心、流體附著、掃略。國內對氣彈問題解決得并不好,很多時候直接略過去。“中國風電行業要進一步發展,還需要大力加強氣彈方面的研究。”

  如何破解上述諸多挑戰,業界給出的答案是“精細化設計”。業內普遍認為,當前葉片發展進入了一個新常態,高性能低成本的材料應用越來越普遍。高性能低成本的材料、模塊化的結構形式、差異化的剛度設計,以及精細化的強度校核,將成為未來葉片發展趨勢。

  “葉片是一個非常系統性的工程,從前期的設計到中間的生產制造,以及后期葉片運維,涉及方方面面。一定要做到精細化設計,只有這樣才可能在低成本的情況下,把葉片做到輕量化。”李軍向說。

  業內人士預測,我國未來風電葉片行業發展趨勢將由“群雄混戰”轉變為“幾強爭霸”,葉片競爭將向具備規模、技術、成本和效率的優勢企業傾斜,我國風電葉片產業未來將經歷一場新的價值鏈重塑。

  從線年算起,中國風電行業已走過了十幾年的歷程,技術能力早已今非昔比。隨著風電行業的快速發展,風電葉片的變革趨勢也越來越明顯,用一個字來形容就是“大”。無論是陸上風電還是海上風電,葉片尺寸均呈現越來越大的趨勢。

  在即將平價上網的大背景下,采用大兆瓦風機成為風電降本增效的最有效途徑,而如何實現風電高發電量、低成本和輕量化,成為業界關注的焦點問題。

  業界人士普遍認為,如何匹配大容量風機的葉片,是行業面臨的挑戰。無論是風電葉片設計,還是生產制造,只有做到精細化才能降低風電成本。

  今年,中國海上風電市場新增了7.25MW、8MW及10MW機組,陸上風機最大容量將刷新至6MW。隨著風機容量增大,被譽為風機“靈魂”的葉片長度也隨之增長,目前世界最大的風機葉片已經刷新至107米。

  國家發改委和國家能源局此前下發的《能源技術創新行動計劃(2016-2030年)》(以下簡稱《計劃》)就提出,把高效葉片氣彈、輕量化結構、新材料相結合的一體化設計技術和100米及以上風電葉片列為未來風電技術創新重點突破目標;科技部今年發布的《2019年國家重點研發計劃重點專項項目申報指南》也提出,開展10MW級海上風電機組樣機研制與檢測試驗技術、新型輕量超長柔性葉片技術、超長葉片一體化設計技術等研究。由此可見,國家已把超長風電葉片列為風電技術創新重點研發的目標。

  “機組大型化已成為風電行業發展趨勢,未來五年,陸上風機的風輪直徑將超過200米。”明陽智慧能源集團股份公司風能研究院副院長李軍向日前在“風電葉片大型化技術論壇”上預測,風電葉片大型化、輕量化、低成本是發展趨勢。

  “葉片終究是妥協的產物,妥協其實就是平衡。”李軍向認為,葉片發展到今天,大型化方向已經明朗。葉片長度越來越長,對材料類型與性能、氣動與結構設計、制作工藝等要求更高,如何在葉片又大又輕中間找到平衡是關鍵。“在低成本、優化設計(高效率)、降低制造難度的要求下,我們面臨著很多挑戰。”

  首先是風機葉片材料的約束。眾所周知,風輪直徑的大小,直接取決于葉片的長短,而葉片長度在一定程度上決定風電機組的發電水平及整機成本。目前,葉片成本約占風機價格總成本的20%左右,葉片材料占葉片成本80%,甚至85%以上。“低成本的材料意味著低性能,所以葉片材料可選余地非常有限,包括全玻纖碳玻混鋪、碳玻混編PS/SS單面碳玻混、全碳纖主梁等,只能有限選擇再做靈活性運用。”李軍向坦言。

  維斯塔斯風力有限公司技術專家孫樹偉也認為:“未來風電行業需要的葉片鋼度要大、強度要高、重量要輕。”他認為,像當年玻璃纖維代替金屬一樣,碳纖維葉片也將代替玻璃纖維葉片。相較于傳統的玻璃纖維葉片,碳纖維葉片的重量更輕,根據具體的設計翼型和長度,可降低葉片重量30%-50%。

  但是,對國內大部分廠家而言,碳纖維仍是昂貴的材料。“目前,平價時代的最高性價比選擇仍以玻璃纖維為主。在葉片中注入碳纖維成本高,工藝難度較大,生產碳纖維葉片尚存在一定難度。不過,我們也在研究碳纖維葉片。”上海艾郎風電科技發展集團有限公司技術中心技術總監助理劉華偉向記者坦言。

  第二個挑戰是氣動和結構的矛盾。越來越長將使葉片變形及重量增加,導致氣動效率降低,從而影響發電量。“而要取得風機高發電量、高效率,翼型將更薄、需要更高的升阻比。所以,葉片終究是一個妥協的產物。在葉片又大又輕、低成本、制造難度等各種因素之間找到平衡。”李軍向表示。

  李軍向介紹,葉片大型化面臨的另一個突出問題是氣彈問題。葉片長度在40-60米時,氣彈問題并不突出,甚至感覺不到其存在。當葉片大型化以后,氣彈問題凸顯出來。從技術角度來看,氣彈問題有四方面影響因素:即剪切中心、質心、流體附著、掃略。國內對氣彈問題解決得并不好,很多時候直接略過去。“中國風電行業要進一步發展,還需要大力加強氣彈方面的研究。”

  如何破解上述諸多挑戰,業界給出的答案是“精細化設計”。業內普遍認為,當前葉片發展進入了一個新常態,高性能低成本的材料應用越來越普遍。高性能低成本的材料、模塊化的結構形式、差異化的剛度設計,以及精細化的強度校核,將成為未來葉片發展趨勢。

  “葉片是一個非常系統性的工程,從前期的設計到中間的生產制造,以及后期葉片運維,涉及方方面面。一定要做到精細化設計,只有這樣才可能在低成本的情況下,把葉片做到輕量化。”李軍向說。

  業內人士預測,我國未來風電葉片行業發展趨勢將由“群雄混戰”轉變為“幾強爭霸”,葉片競爭將向具備規模、技術、成本和效率的優勢企業傾斜,我國風電葉片產業未來將經歷一場新的價值鏈重塑。

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