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海上风电叶片的减重降本之路:要敢于大胆采用新工艺、新材料

北极星风力发电网  来源:球哥看风  作者:李彩球  2020/7/6 9:22:04  我要投稿  

北极星风力发电网讯:海上风电已经迎来第一个高潮,不出意外,今年的海上装机将迎来他的第一个玄关-千万千瓦里程碑,也将载入中国风电的史册。从最早中海油装的第一台1.5MW金风风机开始,到东海大桥3MW机型,再到上海电气-西门子4.0MW,到今天的东汽10 MW风机吊装即将并网,中国海上风电10年走完了海外20年风电的历程,不得不说,后发先至,站在巨人肩膀上,中国海上风电占尽先机,唯一不同于陆上风电而言,海上风电一直未采用外资品牌风机,也是中国海上风电的一个特点。

中国海上风电起步于2007年,当时由金风科技和中海油新能源公司合作,在渤海湾绥中作业区,建立了中国也是亚洲第一个海上风力发电实验机组,当时机型GW1500/93,直驱永磁型,只有1台,离岸70公里,叶轮直径93m。最近的东汽10MW风机,叶轮直接翻倍到185m,仅叶片长度就达到90m(最长的叶片为重庆重通的91m),同时,纯玻纤增强材料的叶片的也开始了碳纤维/玻璃纤维混用时代。

我今天想谈的是海上叶片的减重,无疑碳纤维主梁方案是最好的一个方案,碳纤维密度低于玻璃纤维一半,强度高出玻纤好几倍,现在的大丝束的碳纤维(ZOLTEK)碳纤维已经大幅下降,应该说有很大的优势。如果正常,以72M左右叶片,采用玻璃纤维作为主梁,替代为碳纤维做主梁,估计减重应该在6吨,现在常用海上机型叶片都在80m以上,单支叶片减重至少在7吨左右,对于叶轮系统减重20吨以上,将会给风机的载荷将会产生巨大的影响(载荷降低,基础,塔筒,风载都会减小或降低,减少投资)。也许大家会说,碳纤维贵,实际从总体的减重效果来看,综合成本肯定是下降的,塔筒,基础,载荷的降低,其他投资下降,完全可以弥补碳纤维使用带来的一点成本增加。

作为叶片的内部的一个结构件,主梁一直是海上大叶片的难题。VESTAS主梁一直采用碳纤维拉挤工艺方案,国内双瑞,重通,东汽等叶片厂在海上叶片都采用了碳纤维织物灌注工艺。作为叶片界的几位大哥,中材科技,中复连众据了解都还没批量采用碳纤维主梁方案,主要还是基于主机厂的设计方案,主机厂方面,已有金风,远景,海装和东汽等开始采用碳纤维主梁方案(我了解不多,如果不准,请勿怪)。据了解,时代新材采用拉挤工艺做过碳纤维主梁,通过工艺实践,感觉成本较高,比玻纤主梁成本高一倍。

为什么vestas采用拉挤工艺的主梁,而国内的几家采用碳纤织物灌注工艺主梁,因为我没见到vestas主梁的报道,我无法获悉,但通过官方的了解,维斯塔斯是全球叶片领域最大的碳纤维使用者,2018年维斯塔斯使用碳纤维超过了两万吨,在碳纤维铺放技术,碳纤维主梁叶片特殊的防雷系统,维斯塔斯做了较大的研究,有自己独特的防雷技术专利,这也是VESTAS敢于大胆使用碳纤维主梁的一个因素。

如何降本,如何减重,是海上叶片的一个难题。新工艺是未来海上叶片的一个重要思路。现在看来,采用灌注工艺的主梁方案,问题在于织物进口。国内的碳纤维主梁采用碳纤维织物,目前遇到最大的一个问题,就是碳纤维织物必须进口,价格很高,大丝束碳纤维织物单价超过200元/kg,这也限制了碳纤维的应用,根据我了解,全球能走碳纤维织物的供应商不多,而能用于叶片碳纤维主梁的更少,或许这是未来的一个方向。从技术核心而言,拉挤的工艺成本肯定要比织物灌注工艺成本高。如此看来,新工艺在碳纤维复合材料的应用,对于降低碳纤维的成本将会起到决定性的作用,目前大丝束碳纤维成本大幅降低,关键在于如何降低碳纤维织物成本,已经成为解决碳纤维主梁降本的核心,但愿国内有人关注。

新材料是未来降本的一个重要方向。作为海上叶片降本,玻璃纤维,树脂,胶黏剂都已经国产化,而轻木还是在替代的路上需要走一段路,是否有新的材料可以替代,我了解到PET 替代轻木已经开始出现,如果不是疫情,估计也不会开始试水小批量的采用。而一种新的HPE(类似改型聚氨酯)泡沫正在出现并开始采用(意大利一家公司的专利),欧洲NORDEX、VESTAS已经开始批量使用,根据生产工艺统计,可以减少40%以上的灌注树脂,同时减少25%以上的重量(同样的夹芯复合材料采用通用的轻木,PET夹芯对比灌注),价格及性能相同。根据实际使用效果介绍,52m长度的叶片单支可降本3000-4000元,更重要的是这种材料不受轻木进口的限制,目前已经国产化。若80-90m的海上叶片采用,预计单支叶片降本将超过1-1.5万元。当然这只是降本的一个小方面。我觉得,主要是有降本的效果,在性能不影响的情况下,我们都要去考虑,点点滴滴的降本集中起来也是不可想象的一个下降。

当然,减重,降本,都是我们叶片行业的专家的事情,基于我对行业的一点细枝末节的了解,提出了一点个人看法,供大家参考,希望能抛砖引玉。

原标题:海上风电叶片的减重降本之路:要敢于大胆采用新工艺,新材料

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