风力发电现状及复合材料在风力发电上的应用

风力发电现状及复合材料在风力发电上的应用班级：材料工程111学号：205110137姓名：张宇摘要：本文对中国风能现状及资源分布，近年来中国风力产业的发展状况以及复合材料在风电叶片上的应用进行论述。关键词：风力发电；发展状况；复合材料；风电叶片Abstract:ThisreviewconcernsaboutthestituationandresourcedistributionofwindyenergyinChina,thedevelopmentstatusofchinesewindpower-generationenterprisesandtheapplicationofcompositesinwindpower-generation.Keywords:Windpower-generation；Developmentstatus；Composites；Windturbineblade引言社会经济的持续发展导致能源消耗不断增加，我们正面临日益严峻的能源形势。全球范围的石油、天然气能源逐渐枯竭，环境恶化等因素迫使我们寻找更加清洁、可持续发展的新能源，风力发电应运而生。中国风能资源非常丰富，主要集中在三北地区及东部沿海风能丰富带。风力发电产业市场巨大，竞争激烈。据估计，2006到2010年之间，我国风电叶片的需求量大约在7000多片，2011到2020年的需求量则将达到惊人的50000片。巨大的市场前景使得目前风机行业的竞争空前激烈。整机方面，目前国际市场格局已初步成型。2005年全球超过75％的市场份额被丹麦Vestas、西班牙Gamesa、德国Enercon和美国GEWIND四家企业占据，新进入企业的生存空间不大；国内的整机生产企业中，新疆金风、浙江运达、大连重工集团、东方汽轮机厂等几家的市场前景被业界看好，这其中又以新疆金风科技在国内品牌中的市场份额最大。叶片市场的情况与整机基本类似，单是丹麦LMGlasfiber公司一家就占据了国际市场40%以上的份额，其产品被GEWIND、西门子、Repower、Nordex等公司全部或部分采用；另外Vestas和Enercon公司也拥有各自的叶片生产部门。国内的叶片生产企业主要有中航保定惠腾、连云港中复连众复合材料集团等。风电叶片作为风力发电机组系统最关键、最核心的部件之一．叶片的设计及其采用的材料决定着风力发电机组的性能和功率，也决定着其电力成本及价格。复合材料在风力发电上的应用，实际上主要是在风电叶片上的应用。风电叶片占风力发电整个系统成本的20%到30%。制造叶片的材料工艺对其成本有决定性影响，因此材料的选择、制备工艺的优化对风电叶片十分重要。1.中国风能资源及其分布1.1中国风能资源据有关研究成果预测，我国风能仅次于俄罗斯和美国，居世界第三位，理论储32260GW，陆地上离地10m高可开发和利用的风能储量约为2.53亿kw(依据陆地上离地10m高度资料计算)，近海(水深不超过10米)区域，离海面10米高度层可开发和利用的风能储量约为7.5亿kW，共计10亿kW，风能资源非常丰富。1.2中国风能资源分布风能资源丰富的地区主要分布在东南沿海及附近岛屿以及“三北”(东北、华北、西北)地区。另外，内陆也有个别风能丰富点，海上风能资源也非常丰富。“三北”地区包括东北3省、河北、内蒙古、甘肃、青海、西藏和新疆等省自治区近200km宽的地带，风功率密度在200~300W/m2以上，有的可达500W/m2以上，可开发利用的风能储量约2亿kW，约占全国陆地可利用储量的79%。该地区风电场地形平坦，交通方便，没有破坏性风速，是我国连成一片的最大风能资源区，有利于大规模的开发风电场。包括山东，广西和海南等省市沿海近10km宽的地带，年有效风功率密度在200W/m2以上，沿海岛屿风功率密度在500W/m2以上，风功率密度线平行于海岸线，可开发利用储量为0.11亿kW，约占全国陆地可利用储量的4%。东南沿海及其岛屿是我国风能最佳丰富区。我国有海岸线1800km，岛屿6000多个，大有风能开发利用的前景。2.近年来中国风电产业发展2.1产业发展现状2000至2009年10年间，中国风能产业飞速发展，风能累计装机的容量平均的怎张速度高达72.8%。从2005年起，总装机容量的增长速度超过了100%。截止到2009年12月31日，中国（不含台湾省）风电累计装机超过1000MW的省份超过9个，其中超过2000MW的省份4个，分别为内蒙古(9196.2MW)河北(2788.1MW)辽宁(2425.3MW)吉林(2063.9MW)内蒙古2009年当年新增装机5545MW，累计装机9196.2MW，实现150%的大幅度增长。从风电零部件制造方面来看，据统计，2004年中国仅有6家风力涡轮机制造商，2009年这一数字已提高到80家以上。已开始生产的内资叶片企业52家，轴承企业16家，齿轮箱企业10家，变流器企业12家，塔筒生产企业则有近100家。其中，叶片制造企业中复连众、中材科技年供货已超过500套，中航惠腾年供货超过2000套；轴承制造企业洛轴、瓦轴、天马等已具备批量主轴轴承生产供应能力齿轮箱制造企业中南高齿年产超过3000台，大重减速机超过2000台、重齿超过1000台；从风电整机制造方面来看，2009年，华锐风电、金风科技和四川东汽继续保持市场前“三甲“的位置，华锐新增装机34.5万kW，金风新增装机272.2万kW，东汽新增装机203.5万kW。联合动力以装机容量768MW，占中国新增市场5.6%的优势，排名全国第四。随着国产整机产能释放及零部件配套能力增强，产业链瓶颈将消除，产业发展迅速；风电设备市场呈现寡头垄断格局，避免了市场无序竞争，有利于领头企业做大做强。2009年我国新增风电装机及累计装机排名前10名制造企业市场份额。内资变流器制造企业供应能力增强，质量获得客户认可。可见，国内风电零部件产业发展的繁荣景象。2.2国家的优惠政策中国颁布的政策主要从两个方面扶持风电行业，一方面是通过财政补贴、电网全额收购、确定风电并网价格，以保证风力发电项目合理盈利，从经纪商进行促进；另一方面是在国内市场启动的同时，扶持风机制造业发展，为中长期的风电产业发展奠定基础。归纳为一下四大点：(1)风电全额上网2006年1月1日开始实施《可再生能源法》。该法要求电网企业为可再生能源电力上网提供方便，并全额收购符合标准的可再生能源电量，以使可再生能源电力企业得以生存，并逐步提高其能源市场的竞争力。(2)财税扶持考虑到现阶段可再生能源开发利用的投资成本比较高，《可再生能源法》还分别就设立可再生能源发展专项资金为加快技术开发和市场形成提供援助，为可再生能源开发利用项目提供有财政贴息优惠的贷款，对列入可再生能源产业发展指导目标的项目提供税收优惠等扶持措施作了规定。(4)上网电价当前风电定价采用特许权招标方式，导致一些企业以不合理的低价进行投标。风电特许权招标先后作出了三次修改，总的看来，电价在招标中的比重有所减少；技术、国产化率等指标有所加强；风电政策已由过去的注重发电专项了注重扶持中国企业风电设备制造。目前，有关部门正在抓紧研究风电电价调整的具体办法，调整的原则将有利于可再生能源的开发，特许权招标的定价方式有可能改变，2008年1月第五期风电特许权招标采取中间价方式，就是一个最新的尝试和探索，避免了恶性低价的竞争局面，有助于风电电价开始向理性回归，有利于整个风电产业的发展。(4)国产化率要求2005年7月国家出台了《关于风电建设管理有关要求的通知》，明确规定了风电设备国产化率要达到70%以上，为满足要求的风电场建设不许建设，进口设备要按章纳税。2006年风电特许权招标原则规定：每个投标人必须有一个风电设备制造商参与，而且风电设备制造商要向招标人提供保证供应复合75%国产化率风电机组承诺函。投标人在中标后必须并且只能采用投标书中所确定的制造商生产的风机。在政策扶持下，2007年风机国产化率已经达到56%，2010年风机国产化率也达到85%以上。2.3风电产业发展趋势我国海上资源丰富，发展海上风电，将依托于风能资源丰富的海域，同时以“建设大基地、融入大电网”的方式进行整体规划和布局。目前，我国海上风电开发已经启动，国内对大容量风电机组的需求也在增加，国内风电制造企业纷纷开发大容量海上风电机组。华锐、金风、东汽、联合动力、湘电、明阳等都已开始5MW及以上风力发电机组研发。相信随着整机及零部件技术的不断进步，大容量海上风电的规模化化发展。3.复合材料在风电叶片上的应用风力发电装置最核心的部分是叶片，叶片的结构与性能将直接影响到风力发电的效率及性能。风电叶片的成本占整个风力发电装置成本的20%左右，因此采用廉价、性能优异的复合材料成为了许多企业研究的方向。现在使用比较多的复合材料有玻璃纤维增强聚酯树脂、玻璃纤维增强环氧树脂，局部采用玻璃纤维或者碳纤维增强环氧树脂作为主承力结构。3.1碳纤维增强复合材料及其优点碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得的微晶石墨材料。碳纤维是一种力学性能优异的新材料。它的比重不到钢的1/4。碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500MP以上，是钢的7~9倍。抗拉弹性模量为材料的强度与其密度之比可达到2000MPa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59MPa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大。碳纤维的轴向强度和模量高、无蠕变。耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。使用碳纤维增强复合材料能大幅度减少叶片的重量，而且比一般的玻璃纤维的增强体模量高3到8倍，可以用于大型风机叶片。碳纤维复合材料具有优异的抗疲劳特性，与树脂混合后能够抵抗恶劣的天气条件。3.2TM玻璃纤维增强复合材料TM玻璃纤维具有高强度、高模量的性能，具有较高的抗拉强度、弹性模量、耐疲劳强度、耐性和耐化学腐蚀性。其密度为2.59-2.63g/cm3，拉伸强度为3000~3200MPa,模量为84～86GPa。是大型风电叶片的首选，但是其密度相比于上述的碳纤维增强体要高，所以其缺点是重量太大。TM玻璃纤维中不含硼和氟，是一种环保型的材料。4.结论我国是最早利用风能的国家，国家对风能这种清洁的可再生能源的高度重视，新型复合材料在风电叶片上的应用有利于风电产业的发展，我国风电业将进入一个崭新的大规模高速发展阶段。参考文献[1]钟方国，赵鸿汉.风力发电发展现状及复合材料在风力发电上的应用[J].纤维复合材料，2007，(4)：17-24.[2]杨文宏，高克强，薛忠民等.复合材料风电叶片用增强材料[C].//玻璃钢/复合材料学术年会.2010.[3]戴春晖，刘钧，曾竟成等.复合材料风电叶片的发展现状及若干问题的对策[J].玻璃钢/复合材料，2008，(1)：53-56.[4]秦明，张坤，郭靖.中国风电产业发展综述[C].//经济发展方式转变与自主创新-中国科学技术协会年会.2010.[5]李祖华.风力发电现状和复合材料在风机叶片上的应用（1）[J].高科技纤维与应用，2008，(2):：8-33.[6]钟方国，赵鸿汉.风力发电发展现状及其复合材料的应用[J].热固性树脂，2006：16-21.