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1、材料开发与应用2011 年 12 月文章编号:1003-1545(2011)06-0086-04风电发展现状与碳纤维材料在风电中的应用风电发展现状与碳纤维材料在风电中的应用李峰(河南永煤碳纤维有限公司，河南 商丘476000)摘要:综述了国内外风电产业的发展现状和生产企业的生产现状，并从结构、制造等方面对碳纤维复合材料在风电行业的应用及发展优势进行了详细的介绍。关键词:风力发电;风机叶片;碳纤维复合材料;应用中图分类号:TB332文献标识码:A收稿日期:2010 06 30作者简介:李峰，1982 年生，男，河南汝南人，工程师，主要从事碳纤维及复合材料生产和研究，E-mail:lifengda
2、he126 com。风能作为最清洁、最安全的能源，随着商业化程度和市场竞争的不断加剧，低成本的风力发电已成为当今世界风能的主要利用方式之一 1，2。1国内外风电发展现状1.1国外发展现状全球风能 1700 太瓦，目前全球只利用了0.02 太瓦。全球风能展望 2010 报告显示，到2020 年风能可满足全球 12%的电力需求，2030年可达 22%，风能将成为全球主体电力之一。2010 年全球风电新增装机容量为 4210 万千瓦，全球风电累计装机容量达到 2.0 亿千瓦。据欧洲风能协会(EWEC)预测，2020 年全球风电装机将占总电量的 12%，风力发电已开始从“补充能源”朝向“战略替代能源”
3、转变。1.2国内发展现状据调 查3，我 国 平 均 风 功 率 密 度 为 100W/m2，陆地风能资源总储量约 32.6 亿千瓦，其中可开发的风能 2.53 亿千瓦;海上风能储量7.50 亿千瓦。“十一五”期间我国风电行业迅速发展(见图 1)。截止 2010 年底我国新增安装风电机组12904 台，装 机 容 量 18927.99MW，同 比 增 长37.1%;累计安装风电机组 34485 台，装机容量44733.29MW，同比增长 73.3%。2010 年我国风力发电新增装机、累计装机容量首次超过美国，“双居”世界第一。图 12000 2010 年我国风电累计和新增装机容量目前，我国 30
4、 个省市已建设了风电场，内蒙古、辽宁、山东等国家级风电项目发展迅速(见表1)。风电累计装机容量 4473.3 万千瓦，相当于每年可减少3129 万吨燃煤消耗，从而减少 9000 万吨的 CO2、约 3.3 万吨悬浮颗粒物、6.4 万吨 SO2以及6 万吨 NOx的排放。专家预测，到 2015 年末，我国风电累计装机容量将达到100-150GW 3，4。表 1我国近年风电累计装机分布/MW地区2009 年2010 年地区2009 年2010 年内蒙古 9196.16 13858.01 江苏 1096.75 2370.05吉林 2063.86 2940.86福建567.25833.7河北2788.
5、14921.5北京152.5152.5辽宁 2425.31 4066.86浙江234.17298.17甘肃 1187.95 4943.95上海141.9269.35黑龙江 1659.75 2370.05湖北26.3569.75山东 1219.75 2370.05海南196.2256.7宁夏682.21182.7山西320.5947.5新疆 1002.56 1363.56河南48.75121广东569.34888.78云南120.75430.5注:数据来源于中国风能协会(CWEA)。68第 26 卷第 6 期李峰等:风电发展现状与碳纤维材料在风电中的应用2风电企业生产现状2.1国外风电企业全球大
6、型风电供应商均自主研发生产叶片，主要有以下十大供应商5。表 2全球十大风机供应商排名供应商市场份额 排名供应商市场份额1Vestas12.5%6Gamesa6.7%2GE12.4%7东方电气6.5%3华锐风电9.2%8Suzlon6.4%4Enercon8.5%9西门子5.9%5金风科技7.2%10Repower3.4%在全球十大风机供应商中，中国风机制造发展迅速，华锐电气、金风科技和东方电气依次排列第三、第五和第七(见表 2)。进入全球十大的中国风机供应商数量和全球市场份额连年增加，而 Vestas、GE 等国外风电供应商的市场份额则急剧下降。2.2国内风电企业我国风电叶片企业经过两年的发展
7、，由 2008年的 30 家迅速上升到 120 余家。其中形成批量产能的企业有十几家，国内企业以华锐、金风、东汽为代表，外资企业主要以 Vestas、GE、LM、Gamesa 为代表。表 32010 年我国新增和累计装机十大供应商供应商新增装机/MW市场份额供应商累计装机/MW市场份额华锐438623.2%华锐1003822.4%金风373519.7%金风907920.3%东汽262313.9%东汽595213.3%联合动力16438.7%Vestas29046.5%明阳10505.5%联合动力24355.4%Vestas8924.7%Gamesa24245.4%上海电气5983.2%明阳19
8、464.3%Gamesa5963.1%GM11672.6%湘电风能5072.7%湘电风能10892.4%沈阳华创4862.6%上海电气10732.4%其它241012.7%其它662615%总计18926100%总计44733100%注:数据来源于中国风能协会(CWEA)。我国十大风电供应商中，华锐、金风、东汽、联合动力、明阳、Vestas 与去年相比排名没有变化;湘电和 Gamesa 继续保留在前十位;新的十强中，增加了上海电气和沈阳华创。华锐则以新增装机 4386 兆瓦、累计装机 10038 兆瓦的业绩，超过金风排在第一位。从市场份额来看，五大发电集团仍占 56%的比例，比 2009 年的
9、 55%略有上升。3国内风电叶片市场竞争格局(1)风电叶片产能迅速扩张叶片作为风机的关键部件，占风机成本约20%，国内风电叶片产能达 900 万千瓦。目前国内叶片市场已形成上市公司、外资企业、民营企业、研究院所等多元化的投资形式。(2)初步形成垄断的竞争格局研发能力决定了未来风电叶片的市场竞争地位。中材科技、中复连众和中航惠滕三大企业目前正建立自主研发平台。其中，中材科技是依托北玻院和引进德国技术;中复连众利用中建材的技术并收购德国 NOI;中航惠滕则通过收购荷兰 CTC 提高兆瓦级以上的研发能力。4碳纤维在风电中的应用4.1碳纤维在风电上的应用简介在风电设备上采用复合材料的部位主要有叶片、机
10、舱罩等。碳纤维复合材料叶片是风机轻量化、大型化的必然趋势，且碳纤维复合材料具有维修性好、疲劳强度高、耐候性优良等特点6。因此，碳纤维复合材料叶片具有优异的综合性能。在风电行业飞速发展的影响下，若一台风机按 12 吨计算，碳纤维的用量为 0.6 吨/片，则风机消耗碳纤维 1.8 吨/台。“十一五”期间，我国建成了 30 个 10 万千瓦级的风电项目，实现了3000 万千瓦的中长期发展目标，新增装机约6000 台/年，叶片需求量 1.8 万片/年，碳纤维的需求量为 10800 吨/年。到“十二五”末，我国电力市场将可容纳约 1 亿千瓦风电的能力，而 2015年后，我国风电仍将保持较快增长速度，为碳
11、纤维的发展提供了保障。78材料开发与应用2011 年 12 月4.2碳纤维风电叶片的制造大丝束碳纤维生产商卓尔泰克(Zoltek)主要面向风电用户，瑞典材料研究所及 Oxcon AB 公司将 12K 48K 碳纤维展开成超薄(48 80g/m2)的窄带，再编成织物，其性能与 1K 6K 碳纤维相同，该技术进一步扩大了大丝束碳纤维的应用范围。同时，Zoltek 和西格里(SGL)将产能分别扩大至 15500 吨/年、14000 吨/年。目前将碳纤维应用于叶片生产的供应商主要有:a 维斯塔斯(Vestas)生产的 44m、V-90 型3.0MW 风机叶片主梁采用碳纤维，其叶片质量为 6000kg;
12、而使用玻璃纤维和碳纤维的 34m 叶片，其质量分别为 5200kg 和 3800kg。与玻璃纤维相比，碳纤维的叶片重量减少约 32%，且成本下降约 16%。b Gamesa 直径为 90m 的 2.0MW 风机叶片采用了碳纤维/环氧树脂预浸料，叶片长达 44m，质量仅为 7000kg。c 恩德(Nordex Rotor)已采用碳纤维制造整个主梁结构，生产长 56 米的 5.0MW 风机叶片。d 南通东泰生产 2MW 碳纤维的风机叶片主梁，既保证了叶片的高强度，又顺应了大型化、轻量化的方向。目前，风电叶片普遍采用玻璃纤维和碳纤维增强环氧树脂，通过铺放、树脂注入、RTM 等成型工艺制造 7，8。为
13、了降低成本，全球叶片供应商从原料、工艺、质量等方面研究，使碳纤维的应用更加广泛。随着大丝束碳纤维的出现，碳/玻璃纤维共混的优势显现，也给碳纤维的应用提供机遇。5碳纤维在风电中发展的优势(1)叶片大型化和轻量化由于碳纤维具有低密度、高强度、高模量等特性，大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点，刚度显著提高、重量大大减轻9。荷兰戴尔弗理工大学研制了直径为 120 米的风机的叶片，梁结构采用碳纤维重量减轻约 40%。(2)叶片耐疲劳性风机叶片在恶劣的环境中 24 小时工作，材料极易受到损害。碳纤维复合材料的叶片抗疲劳特性出众，成为适应恶劣气候条件的最佳选择。(3)风机稳定性和高效性叶片使用
14、碳纤维后，重量的降低和刚度的增加改善了空气动力学性能，减少了塔和轮轴的负载，使风机的输出功率更均衡，提高了能量利用率10。同时，碳纤维叶片更薄，外形设计更有效，叶片更细长，也提高了能量的输出效率。6结语随着国家对风电规划及相关激励政策的出台，风电已进入高速发展的阶段。同时，碳纤维及其复合材料的发展也将顺势而上，随着风电叶片大型化的发展，碳纤维将扮演越来越重要的角色。参考文献:1Joselin Herbert G M，Iniyan S E.A review of windenergy technologies J.Renewable and SustainableEnergy Reviews，2
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22、rchLI Hong-zhan，LI Zheng-xian，DU Ji-hong，GAO Guang-rui，WANG Pei(Northwest Institute for Nonferrous Metal Research，Xian 710016，China)Abstract:State of Reserach on high-strength magnesium alloy is reviewed，The roles of alloy element and composite in strengthe-ning and improving the magnesium alloy are
23、 described，the application of new techniques in the preparation of high-strength mag-nesium alloy is covered and the development in the future of high-strength magnesium alloy is forecastedKeywords:Magnesium alloy;Alloy element;Mechanics property;Forming technology(编辑:张迎元)(上接第 88 页)Development Statu
24、s and Application of Carbon Fiber Compositesin Wind Turbine BladeLI Feng(Henan Yongmei Carbon Fiber Co Ltd，Shangqiu 476000，China)Abstract:The development of wind power industry and production status at home and abroad，is reviewed and the advantages ofcarbon fiber composite in view of the structure，manufacturing and other aspects as used in wind power industry are introduced.Keywords:Wind power-generation;Wind turbine blade;Carbon fiber composites;Application(编辑:张迎元)29