自-生物质风电叶片材料的现状与展望
生物质风电叶片材料的现状与展望 黄晓东 孙正军 江泽慧 （国际竹藤网络中心,北京 10010)摘要：由于煤炭、石油等能源资源来源有限且存在严重的污染问题，人们自然将目光优先集中在那些污染少、可持续供应的品种上，这就是为什么发展风能会成为解决全球能源问题的关键所在。风能由风力发电机组产生，风力发电机叶片在其中起关键作用。本文论述了世界风能及其风力发电叶片材料的发展概况和趋势,指出生物质材料是风电叶片的发展方向。关键词：风能；生物质风电叶片材料；现状与展望Thstat nd fuur ofbio-windrb laesmatelsHugXiodon SUN Zhn-jn JING Z-hui (esear Instiutef Inerntionaleter or Babooand attan， Beijing002, China)Abstract： Ery soucs(such as cal anoil)are liied and at thsae im thesenery sourcscret ollution probles. This hled othe focu o a ssainale enrgy suply，which imlies optii ue of eerg,niize luton Tat s hy in energysproinn nd t sthe sution to th gbalner plem. e wid enrgyi enerted yig wind urbne he turbine blades plays ery portant ole ntheid turbines .The tudyo th devlomnt a tre ofthe orlds wid energ an wndturne lades,testdy oint out ht he develpments ad trens f hebio-win turbi bades mateias. Ke words：wind energy; o-wid tubineblads mterials; the tus nd ftur.1世界风力发电机的发展历史公元前十七世纪,古巴比伦皇帝哈姆拉比用风能从事农田的灌溉1。公元七世纪，古波斯人建造了第一座风车用于谷物磨粉，至今在这一地区还保留了一定数量的风车。欧洲人建造风车的历史要晚得多,英国人在十字军东征时到达伊斯兰地区,见到了风车。但广泛使用风车是从十三世纪开始，在十八世纪开始普及,十九世纪末，欧洲有超过十万个风车,用于加工谷物。中国、伊拉克、埃及、荷兰、丹麦等都是最早利用风能的国家。中国利用风能历史悠久,早在甲骨文字中就有“帆”字记载,说明我国是利用风能最早的国家。天工开物一书里有“扬郡以风帆数页,俟风转车，风息则止”的记录，表明在明代以前，我国劳动人民就会制作将风力的直线运动转变为风轮旋转运动的风车，这在风能利用上更是前进了一大步。后来人们利用风车灌溉农田、提供人畜饮水、排水、磨面和锯木等，也就不足为奇了。经过一段漫长的历史过程后,到l9世纪末,随着科学技术的飞速进步,美国的研究人员才开始着手利用风能发电。其中Charls . Brh （189-1929) 是美国电力工业的奠基者,在88年的冬天，Brush建起了现在据信是第一座全自动的风力发电机并成功发电。后来,美国人PoulaCur又发现高速旋转的2-3片叶片的风力发电机比低速多叶片的风力发电机发电效率高。以后,各国都从小型风力发电机研制开始,逐渐向中大型风力发电机发展过渡3-4。第一次世界大战之后,丹麦仿造飞机的螺旋桨制造了二叶、三叶高速风力发电机并网发电。美国从l930年开始研制风力发电机，当时以杰卡斯风力发电机最为出名，而且被销售到其他一些国家。l91年，美国设计生产了l台250k二叶片“伯能”风力发电机。安装在佛蒙特州拉特兰的格兰德帕60m的圆顶山上,叶轮直径53 m，塔架高m。从194年l0月到1945年3月，该风力发电机运行了3.5年后，因叶片金属疲劳被大风吹断而停止运行。前苏联于131年在巴塔拉瓦(靠近黑海的雅尔塔)建造了风轮直径为048m、塔架高度为30.48m、额定功率为l0kw的风力发电机组，与32k以外的位于塞瓦斯托波尔的2容量的火力发电站相联。第二次世界大战后.不少国家先后开始了容量l0k以上的风力发电装置的研制。法国在158-96年间先后设计、生产和试验了贝斯罗曼尼（BetRomn)风力发电机,(额定功率80 kW ，试验时达到02W）和尼尔必克(Nyrpc)风力发电机（额定功率32k及100 kW）。前者因技术问题停止运行60天后恢复正常运行,后者因刹车系统的问题停止运行。但为法国后来的研究、设计和生产风力发电机准备了条件。前西德l957-68年间研究、设计和制造了-00W的风力发电机。成功地使用了复合材料叶片，为复合材料用于制作大型风力发电机叶片奠定了基础5-6。丹麦的盖瑟风力发电机的风轮直径为27m,额定功率为2 kW,每年发电量约0万kW左右7。在0世纪60年代前后,由于内燃机的广泛使用，其燃料来自廉价的石油，风力发电成本较高,与内燃机发电相比不具有竞争力,使风力发电机的发展近于停止。97年发生了世界性的石油危机，石油的短缺以及用矿物燃料发电所带来的环境污染问题，使风力发电又重新受到了重视8。美国、丹麦、荷兰、英国、德国、瑞典、加拿大等国家在风力发电的研究与应用上投入了大最的人力与资金,制定了开发规划。丹麦在l7年设计制造了功率2000kW、三叶片(风轮直径4m)的德文特( Tvind)大型风力发电机。1年，前西德设计制造了格鲁威恩(Groian) 00w大型风力发电机,风轮直径100m并成功地用复合材料制作了叶片。美国l975年月成功地制造了台风轮直径8，功率l00k的MO一0型大型风力发电机,继而又研究、设计和制造了叶片直径、功率200kW的D一1型大型风力发电机和风轮直径91.5m、功率500kW的OD一2型大型风力发电机;1985年制造的MD一型大型风力发电机,风轮直径12，功率达7300W。同时，美国也注意垂直轴达里厄风力发电机的研究、设计、制造和试验。美国制铝公司生产过500kW垂直轴达里厄风力发电机。前西德在l981年之后相继研究、设计和制造了3000500 kW大型风力发电机。加拿大在1年也研究制造了3800w大型风力发电机。加拿大对垂直轴达里厄风力发电机的研究倍感兴趣,先后研制成功0230kW的垂直轴达里厄风力发电机。英国在l81年也研究制造了额定功率3700的大型风力发电机。经过1多年的发展,中、大型风力发电与自动控制技术逐渐成熟，在风能资源优越的地域,出现成排有序的风力发电机群在运转,这就是所谓的“风电场”。在美国和西北欧等工业发达的国家和地区建设的风电场较多。到1987年底，美国在加利福尼亚洲安装了约l60台不同容量的风力发电机，总装机容量约达40万kW,年发电量达17亿h。美国加卅风力发电的发电成本已低于核电，接近燃油发电的水平，说明风电已具有与传统常规能源电力竞争的潜力9。2 世界风力发电机叶片的主要生产商及叶片的发展概况风力发电最关键的部分是叶片，叶片的设计及选材决定了发电性能与功率10。现代风电叶片的研究也是在年代初期起步，研制各种类型的风电叶片。试用的叶片材料包括了钢材、铝合金、木/环氧（wod/epoxy）和玻璃纤维增强塑料(GFP),随后,碳纤维增强塑料（CRP）和混杂材料逐步引入叶片11。钢质叶片重量太大,铝质叶片的疲劳性能不佳，遭到淘汰。目前风力叶片已是0%的复合材料产品,由此决定了复合材料工业成为风力发电装置中的枢纽地位，由于风电行业是一个专业性很强的高科技产业1。能够生产大型风电机组和叶片的企业并不多见，主要是丹麦和德国的几家企业。目前全球风力发电叶片几乎被三大制造厂所瓜分，约占领叶片市场的8%,它们是L Glasfier（丹麦)、Vstas Wind ysem A/S(丹麦)及Enrcon(德国)-15。LMGlasibe是世界最大的风力叶片制造商,2002年销售了732个叶片,相当于2705MW发电能量,占全球40%，金额高达8.3亿丹麦克朗，該公司拥有0W -5W的系列产品,包括旋角(itch ）控制和失速( stall）控制两种,長度44英尺(1.42m）至128英尺(39)不等。LM lsfbr 公司在天津武清县建立了L Gafber天津有限公司。该公司雇员有30人，主要任务是人员培训。 stas Wind Sstems也是主要风力发电机及叶片制造商,它是世界上第一个制造旋角控制风力发电机的厂商,1995年在丹麦建立世界第一座的离岸风力场1。该公司总共生产了2.6万个风电机组,在50个国家使用，总雇员960人。该公司投资20万欧元,在天津独资建立风电桨叶制造厂,占地19万平米,雇员240人。计划2006年中期，生产3米长,W风电机组用桨叶。年生产量为60个桨叶。该公司目标是将产品占领中国大型风电桨叶市场,该公司总裁了解到中国政府（国务院能源办公室)风力发电计划。该公司将桨叶生产厂建在中国，实际上基于两个根本的看法:一是中国风电设备市场前景十分广阔,二是中国的制造能力强,成本低廉17。国内生产风电机组的厂家有新疆的金风集团,牵头生产600KW风电机组。中航(保定)惠腾风电设备有限公司(Zhoang （Baoding) Huien Wndpowr Euipent Co., td)，该公司是由中国航空工业第二集团公司保定螺旋桨制造厂、中国航空工业燃机动力(集团）公司和美国美腾能源集团三方投资兴建的中美合作经营企业,公司投资总额3500万元人民币，注册资本总额为7万元人民币。主要开发、制造系列化的风力发电机组风轮叶片及风力发电机组相关的各种复合材料产品。公司年生产规模可达套60W叶片1。由于复合材料在风力发电上的应用实际上就是在风力发电转子叶片上的应用，此叶片的设计、结构、选材、工艺方法、制造、测试、实验乃至生产必须紧密结合,其发展趋势更是朝大功率,长叶片方向迈进,因为风力发电与W成本随发电功率增大而降低，举例而言,1992999年欧洲风力发电单机功率从20KW增至00K， 叶片长度则从12米增至22米，200年功率增至90K，叶片长度增至2米,目前1.5MW 2.M的单机功率叶片长度达5米已不稀奇，甚至朝3.0MW.0MW及叶片长度50米以上的风力发电机迈进。为了达到大叶片清量化的目的,选择复合材料为材质的须求亦愈高19。在风能装置中，采用复合材料的部件有叶片、发动机舱室、流线形抛物面和塔的部件等,其中用量最大的是叶片2。典型的
