叶片生产现状与风力发电前景

２５ ０００ ２０ ０００ １５ ０００ １０ ０００ ５ ０００
０ ０ １０ ２０ ３０ ４０ ５０ ６０ Ｌ／ｍ
图 ３ 叶片质量与叶片长度的关系
现今世界上最大的５ ＭＷ风力发电机的叶片长６１．５ ｍ， 单片叶片的质量为 １７．７ ｔ，旋转直径可达 １２６．３ ｍ。下表 所示为不同年份风机功率、风叶尺寸和风电价格的变化 趋势。
年份
１９９２ １９９９ ２０００ ２００５ ２００５
表 风叶尺寸、风机功率和风电价格
主力型号风机功率 /kW ２００ ７００ ９００
图 １ ２００５ 年各省（市、区）风电场装机容量图
１．２ 国外风电叶片生产商 世界上多数主要大型风力发电机组制造商都自己生
产叶片。在独立大型叶片制造企业中，丹麦ＬＭ Ｇｌａｓｆｉｂｅｒ Ａ／Ｓ 是一个世界上领头的风力机叶片制造商，并且是唯一 以全球基础运营的供应商。ＬＭ 公司活跃在所有主要的风 能市场上，在全球 ８ 个国家建有生产厂，具有在亚洲（印 度有两个厂，中国有两个厂）、北美洲和欧洲可扩展的生 产能力。ＬＭ 公司在乌鲁木齐、天津和秦皇岛建立了艾尔 姆玻璃纤维制造品有限公司，全球目前运行的风力机，每 ３ 台风力机就有一台配装该公司的叶片。
玻璃纤维复合材料有很多的优点，如高比强度，很 好的疲劳特性、防腐性能和减振性等。玻璃钢复合材料 叶片有很多显著特点：第一，与金属材料制造的叶片相 比，重量轻。第二，玻璃钢复合叶片可以根据其受力条 件对叶片的强度和刚度进行设计，从而达到减轻重量和 降低离心载荷的目的。此外，玻璃钢复合叶片容易制造， 气动特性好；具有较高的固有频率，能够避免共振带来 的破坏。玻璃钢复合材料具有耐酸、碱和水汽的优良性 能，能在恶劣环境下较长时间的工作。因此，玻璃纤维 材料被广泛应用于风力机叶片。
２０１０ 年第 ７ 期 ·
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片。中航（保定）惠腾风电设备有限公司为国内叶片制造的 最大企业。该公司由保定惠阳航空螺旋浆厂、中航工业 燃机动力集团、中航第二集团和美国美腾风能公司共同 投资，是国内唯一的自主技术、自行研发聚酯基 ＦＲＰ 叶 片的企业。其 ６００～７５０ ｋＷ 叶片占国内的 ９０％ 以上，２００６ 年叶片装机容量达 ５０４ ＭＷ，占全国的 ４８％。２００９ 年 ４ 月 ７ 日，华锐风电生产的第三台 ３ ＭＷ 海上风电机组在上海 东海大桥 １０ 万 ｋＷ 风电场完成吊装。该叶片是由中航惠 腾风电设备股份有限公司设计研发并制作。这标志着我 国第一个国家海上风电示范工程、同时也是欧洲以外全 球第一个大型海上风电场的首批 ３ 台 ３ ＭＷ 海上风电机 组安装成功。
叶片存在固化问题。在叶片的生产过程中，由于模 具尺寸巨大，一般无法采用烘箱等传统的外部加热方式 对其进行升温固化，只能在室温下进行，致使叶片固化 周期较长，难以进行较连续化的生产。同时，利用光照 进行固化处理的生产方式，受气候因素制约严重，一般 只能选择在光照较充足的地方建立叶片生产基地。
叶片的运输问题。１．５ ＭＷ 风电叶片长度可达 ３４～ ４０ ｍ，质量达 ５．８ ｔ，经长途运输到风力发电场，运输困 难，一般都由专业大件运输公司承担运输任务，费用高 昂，运输费可达 ３ 万元 ／ 片。有些地区甚至根本无法送达， 长途运输问题甚至已成为制约风电发展的瓶颈之一。
叶片的技术问题。外资企业由于长期的发展累积，无 论在技术还是在质量保证方面都有比较完善的体系，因 此在质量控制方面比较出色。而内资企业大多数都处于 刚起步阶段，且其中相当一部分企业之前尚无玻璃钢的 生产制造经验，无论在技术还是在质量体系方面都还需 要一段时间的完善。
风电叶片质量问题。叶片的寿命一般为 ２０ 年，叶片
麦 Ｖｅｓｔａｓ Ｗｉｎｄ ＳｙｓｔｅｍｓＡＳ制造）。在兆瓦级风电机组中， 如 １ ＭＷ 的叶片长 ３１ ｍ，每片约 ４～５ ｔ；１．５ ＭＷ 主力机 型风力机叶片长 ３４～３７ ｍ，每片约 ６ ｔ；目前商业化风力 发电所用的电机容量一般为 １．５～２．０ ＭＷ，与之配套的复 合材料叶片长度大约 ３２～４０ ｍ，质量为 ６～８ ｔ；现代的 ５４ ｍ大型叶片质量为１３ ｔ。
碳纤维合成材料具有出众的抗疲劳特性，当与树脂 材料混合时，则成为了风力机适应恶劣气候条件的最佳 材料之一，碳纤维复合材料叶片刚度是玻璃钢复合叶片 的二三倍。采用碳 ／ 玻混杂增强方案，叶片可减重 ２０％～ ３０ ％。因此，大型叶片已有采用玻璃纤维 ／ 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，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损伤。碳纤维较玻璃纤维还 有更重要的特点，就是可避免叶片自然频率与塔站短频 率间发生任何共振的可能性，因为碳纤维有振动阻尼特 性。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，是玻璃纤维的 １０ 倍，影响了它在风 力发电上的大范围应用。
图 ２ 风力发电机单机容量的发展趋势
风力机叶片曾用木材和金属来制造，但随着发电单 机功率的增大，要求叶片长度不断增加。风力机向大型 化发展，近年来已基本用各种复合材料所代替。目前，风 力机叶片材料的选择方法是对候选材料进行各种性能的 综合比较，最终确定一个相对较好的选择。对同一材料 而言，增加风机叶片长度势必增加叶片质量。统计研究 表明，叶片质量 Ｗ 随叶片长度 Ｌ 的 ３ 次方增加，即 Ｗ ＝ ＡＬ３Biblioteka Baidu如图 ３ 所示。
２００ １８０
１６５．７４
１８０．７５
１６０
１４０ １２０
１０８．２５
１２７．４６ １０９．３６
１４０．２９
１１２．９５
１００
７９．３５
８０ ６０ ４０ ２０
５７．３５
５８．７５
５２．２
２４．４ ３４．１５
８．７
０．８
０
河北内蒙古 辽宁 吉林黑龙江 上海 浙江 福建 山东 广东 海南 甘肃 宁夏 新疆 香港
艾尔姆玻璃纤维制品有限公司是世界上处于领先地 位的风电叶片制造商，总部设在丹麦，现在 ５ 个国家设有 生产厂，包括中国天津的独资工厂。主要为通用机械等 自己不生产风电叶片的欧洲大型客户提供 １．５ ＭＷ 风电叶 片，为中国和亚太地区风能市场提供 ６００～１ ５００ ｋＷ 风 力发电机配套的叶片。图１是 ２００５年各省（市、区）风电场 装机容量图（ Ｍ Ｗ ） 。
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的质量控制关键在过程控制，良好的风电叶片表面和涂 层是确保风电叶片使用寿命的第一步，如何对风电叶片 表面进行涂层，清洁是非常重要的。由于叶片的体积和 长度越来越大，制造周期长，有些缺陷不可避免地出现。 如分层、内含物、气孔以及缺少胶黏剂，翼梁与外壳之 间以及外壳的前缘与后缘之间黏结不牢。
Ｖｅｓｔａｓ 集团，包括以前的 ＮＥＧ Ｍｉｃｏｎ 是世界上最大 的风轮机制造商，其产品在 ６大洲的 ４０ 多个国家运行，在 他们制造的 ４４ ｍ 长、Ｖ － ９０ 型 ３．０ ＭＷ 风电机中的叶片
的梁采用了碳纤维。长期以来，Ｖｅｓｔａｓ一直积极参与黑龙 江省的风电开发。截至 ２００９ 年 １２ 月底，维斯塔斯已在中 国安装超过 ２ ０００ ＭＷ 的风机，成为中国风电市场最重 要的成员之一。西班牙 Ｇａｍｅｓａ 在他们旋转直径为 ８７ ｍ （Ｇ８７）和 ９０ ｍ（Ｇ９０）２ ＭＷ 的风机的叶片中采用了碳纤维 ／ 环氧树脂预浸料，Ｇ９０ 叶片长 ４４ ｍ，质量约 ７ ｔ。
２００５ 年，连云港中复连众复合材料集团从德国成套 引进 １．５ ＭＷ 风力机桨叶的生产技术和关键设备，率先成 为具备兆瓦级风力机桨叶批量生产能力的国内制造商。 ２００７ 年 １ 月，该公司收购了德国第二大风力机桨叶生产 和研发企业 ＮＯＩ 公司，成立了名称为 ＳＩＮＯＩ 的境外新公 司。该公司已拥有ｌ４套风电叶片模具，年产量达到了１ ０１２
２ 复合材料与风机叶片
２．１ 叶片制造材料 风力发电已经形成大型化趋势，即单机容量越来越
大，如图 ２ 所示。
单机容量 ／ｋＷ
１ ４００ １ ２００ １ ０００
８００
丹麦 德国 美国
６００
４００
２００ １９９０ １９９２ １９９４ １９９６ １９９８ ２０００ ２００２ 年代
２００９ 年全球十大风机供应商中，三家中国风机制造 商进入全球十强，华锐风电排名全球第三。 １．３ 叶片制造存在的问题
近年来，随着尺寸的不断增加，风力机叶片在生产 和制造过程中产生了一些在以往的中小型叶片生产中未 曾碰到过的新问题。
大型复合材料叶片的外形尺寸与其制造模具有着极 其密切的关系。为保证复合材料桨叶设计外形和尺寸精 度，叶片越长，成形时对模具刚度和强度的要求就越 高，而模具的重量和成本也会大幅度提高。近年来，为 减轻模具重量，降低模具成本，大型复合材料叶片的制 造模具也逐渐由金属模具向复合材料模具转变。考虑到 内资厂商处在风电叶片生产的初期，需要较长时间进 行模具开发、样品开发、样品测试工艺调试以及流程优 化，因此一般新进入的风电叶片生产厂商都需要较长 时间的摸索。
合金钢因其价格低廉，易加工成细长的形状，并且 可以按照翼型的形状来成形，因而曾经一度被认为是首
选的风力机叶片材料。然而，它的密度太大，疲劳特性 差，易腐蚀，难以加工成扭曲形状，因而慢慢被别的材 料所替代。纤维增强复合材料是一种高功能材料，它在 力学性能、物理性能和化学性能等方面都明显优于单一 材料。复合材料重量轻，而强度和刚度大，抗疲劳性能 良好，具有较好的抗声振疲劳性能，减振性能良好，耐 高温，安全性好，成型工艺简单，固化后残余应力很小。 以环氧树脂为基体的复合材料的力学性能更好，特别是 当使用碳纤维时，机体材料多以环氧树脂为主。
叶片生产现状与风力发电前景
风机叶片使用碳纤维作为增强材料，具有广阔的前景。
■ 杨通 杨晓红 ／ 华北电力大学机械工程系
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风 能是绿色、环保和可再生能源，取之不尽，用 之不竭。据估计，全国陆地上可开发利用的 风能约 ２．５３ 亿 ｋＷ，海上可开发利用的风能约 ７．５ 亿 ｋＷ， 共计 １ ０ 亿 ｋ Ｗ 。据世界能源金融网从哥本哈根发来的消 息，丹麦国际经济咨询公司（Ｄａｎｉｓｈ ｃｏｎｓｕｌｔａｎｔｓ ＢＴＭ）认 为，中国在 ２００９ 年成为世界顶级风电市场，装机量达到 １３．７５ ＧＷ，占世界总装机量 ３８ ＧＷ 的 １／３，在金融危机 的局势下创造了一项新的纪录，三家中国涡轮机公司名 列世界前十名。 中国风电工业已经成为中国市场发展的趋势。２００９ 年，由于中国风电装机容量大幅增长的强劲拉动，全球 风能市场继续呈现快速增长态势。中国新增风电装机容 量快速超越欧美国家。２００９ 年，尽管全球经济仍处于危 机之中，但全球风能市场却实现了 ３１％ 的增长。１／３ 的新 增风电装机容量来自中国，其 １３０ 亿 Ｗ 的新增风电装机 容量超过了欧盟的 １０５ 亿 Ｗ 和美国的 ９９ 亿 Ｗ。２００９ 年， 中国风电装机总容量连续 ５ 年实现翻番，连续第 ５ 年实现 １００％ 增长，并跻身全球 １０ 大风能市场。同时，中国风电 装机总容量成功超越西班牙，仅位列美国和德国之后。全 球风能委员会主席安洁利卡·普伦表示，２０１０ 年，中国 风电装机总容量有可能超过德国。Ｅ Ｅ Ｒ 的一份市场研究 显示，在欧洲公用事业的引领下，海上风能产业未来 １０ 年将大幅扩张，２０２０ 年全球风电装机容量预计将增长至 近 ４５０ 亿 ｋＷ。ＥＥＲ 指出，随着短期内北欧大型公用事业 项目推动该产业发展，该产业也将为北美和亚洲海上风 能的发展提供舞台。 叶片是风力机的关键部件之一，涉及气动、复合材 料结构及工艺等领域。叶片的长度和风机的功率成正 比，风机功率越大，叶片越长。对 ５００ ｋＷ～２．５ ＭＷ 的 风力机，叶片长１３．５～３９ ｍ（丹麦 ＬＭ Ｇｌａｓｆｉｂｅｒ 公司制 造）；６６０ ｋＷ～１．６５ ＭＷ 的风力机，叶片长 ２３～３９ ｍ（丹
１ ５００～２ ５００（路基） ３ ０００～５ ０００（海基）
风叶长度 /m １２ ２２ ２５
３ ５ ～４ ５ ４５～６１．５
风电成本 /(U SD/kW·h)
０．３
０．０６ ０．０４
１ 风电叶片生产现状
１．１ 国内风电叶片技术 近两年风电的迅猛发展，拉动了国内风力机零部件
企业的快速发展。目前除了 ＬＭ、保定中航惠腾等继续扩 建外，新建的叶片厂迅速增多，据不完全统计，当前生 产叶片的国内厂家已有 ５０ 多家，竞争较为激烈，已经基 本能满足国内风电产业的需求。