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风电叶片“大”时代已至

时间:[2019-11-13 ] 信息来源:中国能源报
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  从真正实现规模化发展的2006年算起,中国风电行业已走过了十几年的历程,技术能力早已今非昔比。随着风电行业的快速发展,风电叶片的变革趋势也越来越明显,用一个字来形容就是“大”。无论是陆上风电还是海上风电,叶片尺寸均呈现越来越大的趋势。

  在即将平价上网的大背景下,采用大兆瓦风机成为风电降本增效的最有效途径,而如何实现风电高发电量、低成本和轻量化,成为业界关注的焦点问题。

  业界人士普遍认为,如何匹配大容量风机的叶片,是行业面临的挑战。无论是风电叶片设计,还是生产制造,只有做到精细化才能降低风电成本。

  叶片呈大型化轻量化趋势

  今年,中国海上风电市场新增了7.25MW、8MW及10MW机组,陆上风机最大容量将刷新至6MW。随着风机容量增大,被誉为风机“灵魂”的叶片长度也随之增长,目前世界最大的风机叶片已经刷新至107米。

  国家发改委和国家能源局此前下发的《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》(以下简称《计划》)就提出,把高效叶片气弹、轻量化结构、新材料相结合的一体化设计技术和100米及以上风电叶片列为未来风电技术创新重点突破目标;科技部今年发布的《2019年国家重点研发计划重点专项项目申报指南》也提出,开展10MW级海上风电机组样机研制与检测试验技术、新型轻量超长柔性叶片技术、超长叶片一体化设计技术等研究。由此可见,国家已把超长风电叶片列为风电技术创新重点研发的目标。

  “机组大型化已成为风电行业发展趋势,未来五年,陆上风机的风轮直径将超过200米。”明阳智慧能源集团股份公司风能研究院副院长李军向日前在“风电叶片大型化技术论坛”上预测,风电叶片大型化、轻量化、低成本是发展趋势。

  叶片大型化面临诸多制约

  “叶片终究是妥协的产物,妥协其实就是平衡。”李军向认为,叶片发展到今天,大型化方向已经明朗。叶片长度越来越长,对材料类型与性能、气动与结构设计、制作工艺等要求更高,如何在叶片又大又轻中间找到平衡是关键。“在低成本、优化设计(高效率)、降低制造难度的要求下,我们面临着很多挑战。”

  首先是风机叶片材料的约束。众所周知,风轮直径的大小,直接取决于叶片的长短,而叶片长度在一定程度上决定风电机组的发电水平及整机成本。目前,叶片成本约占风机价格总成本的20%左右,叶片材料占叶片成本80%,甚至85%以上。“低成本的材料意味着低性能,所以叶片材料可选余地非常有限,包括全玻纤碳玻混铺、碳玻混编PS/SS单面碳玻混、全碳纤主梁等,只能有限选择再做灵活性运用。”李军向坦言。

  维斯塔斯风力有限公司技术专家孙树伟也认为:“未来风电行业需要的叶片钢度要大、强度要高、重量要轻。”他认为,像当年玻璃纤维代替金属一样,碳纤维叶片也将代替玻璃纤维叶片。相较于传统的玻璃纤维叶片,碳纤维叶片的重量更轻,根据具体的设计翼型和长度,可降低叶片重量30%-50%。

  但是,对国内大部分厂家而言,碳纤维仍是昂贵的材料。“目前,平价时代的最高性价比选择仍以玻璃纤维为主。在叶片中注入碳纤维成本高,工艺难度较大,生产碳纤维叶片尚存在一定难度。不过,我们也在研究碳纤维叶片。”上海艾郎风电科技发展集团有限公司技术中心技术总监助理刘华伟向记者坦言。

  第二个挑战是气动和结构的矛盾。越来越长将使叶片变形及重量增加,导致气动效率降低,从而影响发电量。“而要取得风机高发电量、高效率,翼型将更薄、需要更高的升阻比。所以,叶片终究是一个妥协的产物。在叶片又大又轻、低成本、制造难度等各种因素之间找到平衡。”李军向表示。

  李军向介绍,叶片大型化面临的另一个突出问题是气弹问题。叶片长度在40-60米时,气弹问题并不突出,甚至感觉不到其存在。当叶片大型化以后,气弹问题凸显出来。从技术角度来看,气弹问题有四方面影响因素:即剪切中心、质心、流体附着、扫略。国内对气弹问题解决得并不好,很多时候直接略过去。“中国风电行业要进一步发展,还需要大力加强气弹方面的研究。”

  精细化设计才能降成本

  如何破解上述诸多挑战,业界给出的答案是“精细化设计”。业内普遍认为,当前叶片发展进入了一个新常态,高性能低成本的材料应用越来越普遍。高性能低成本的材料、模块化的结构形式、差异化的刚度设计,以及精细化的强度校核,将成为未来叶片发展趋势。

  “ 叶片是一个非常系统性的工程,从前期的设计到中间的生产制造,以及后期叶片运维,涉及方方面面。一定要做到精细化设计,只有这样才可能在低成本的情况下,把叶片做到轻量化。”李军向说。

  业内人士预测,我国未来风电叶片行业发展趋势将由“群雄混战”转变为“几强争霸”,叶片竞争将向具备规模、技术、成本和效率的优势企业倾斜,我国风电叶片产业未来将经历一场新的价值链重塑。

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