第一節(jié) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片簡介

隨著我國風(fēng)能市場的擴(kuò)大，風(fēng)機(jī)制造業(yè)逐漸進(jìn)入高速發(fā)展期。葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的核心部件，造價約占整個設(shè)備的1/4到1/3。我國現(xiàn)有制造并銷售葉片的工廠僅天津LM與保定中航惠騰兩家，雖然LM與保定中航惠騰都在籌劃擴(kuò)建，但近期內(nèi)難以滿足市場的需求。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵動部件，直接影響著整個系統(tǒng)的性能，并要具有長期在戶外自然環(huán)境條件下使用的耐候性。因此，葉片的制造質(zhì)量水平十分重要。

第二節(jié) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片材料、設(shè)計與制造工藝

復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵動部件，直接影響著整個系統(tǒng)的性能，并要具有長期在戶外自然環(huán)境條件下使用的耐候性和合理的價格。因此，葉片的材料、設(shè)計和制造質(zhì)量水平十分重要，被視為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)水平代表。影響風(fēng)機(jī)葉片相關(guān)性能的因素主要有原材料、風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計及葉片的制造工藝三種。

一、風(fēng)機(jī)葉片的原料

目前的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片基本上是由聚酯樹脂、乙烯基樹脂和環(huán)氧樹脂等熱固性基體樹脂與E－玻璃纖維、S－玻璃纖維、碳纖維等增強(qiáng)材料，通過手工鋪放或樹脂注入等成型工藝復(fù)合而成。

對于同一種基體樹脂來講，采用玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料制造的葉片的強(qiáng)度和剛度的性能要差于采用碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料制造的葉片的性能。但是，碳纖維的價格目前是玻璃纖維的10左右。由于價格的因素，目前的葉片制造采用的增強(qiáng)材料主要以玻璃纖維為主。隨著葉片長度不斷增加，葉片對增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和剛性等性能也提出了新的要求，玻璃纖維在大型復(fù)合材料葉片制造中逐漸出現(xiàn)性能方面的不足。為了保證葉片能夠安全的承擔(dān)風(fēng)溫度等外界載荷，風(fēng)機(jī)葉片可以采用玻璃纖維/碳纖維混雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，尤其是在翼緣等對材料強(qiáng)度和剛度要求較高的部位，則使用碳纖維作為增強(qiáng)材料。這樣，不僅可以提高葉片的承載能力，由于碳纖維具有導(dǎo)電性，也可以有效地避免雷擊對葉片造成的損傷。

風(fēng)電機(jī)組在工作過程中，風(fēng)機(jī)葉片要承受強(qiáng)大的風(fēng)載荷、氣體沖刷、砂石粒子沖擊、紫外線照射等外界的作用。為了提高復(fù)合材料葉片的承擔(dān)載荷、耐腐蝕和耐沖刷等性能，必須對樹脂基體系統(tǒng)進(jìn)行精心設(shè)計和改進(jìn)，采用性能優(yōu)異的環(huán)氧樹脂代替不飽和聚酯樹脂，改善玻璃纖維/樹脂界面的粘結(jié)性能，提高葉片的承載能力，擴(kuò)大玻璃纖維在大型葉片中的應(yīng)用范圍。同時，為了提高復(fù)合材料葉片在惡劣工作環(huán)境中長期使用性能，可以采用耐紫外線輻射的新型環(huán)氧樹脂系統(tǒng)。

二、風(fēng)機(jī)葉片的設(shè)計

以最小的葉片重量獲得最大的葉片面積，使得葉片具有更高的捕風(fēng)能力，葉片的優(yōu)化設(shè)計顯得十分重要，尤其是符合空氣動力學(xué)要求的大型復(fù)合材料葉片的最佳外形設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的重要性尤為突出，它是實現(xiàn)葉片的材料/工藝有效結(jié)合的軟件支撐。另外，計算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用也使得葉片的結(jié)構(gòu)與層合板設(shè)計更加細(xì)化，有力的支持了最佳工藝參數(shù)的確定。

早在1920年，德國的物理學(xué)家AlbertBetz就對風(fēng)力發(fā)電葉片進(jìn)行過詳細(xì)的計算?；诋?dāng)時的計算條件和對風(fēng)力發(fā)電葉片的認(rèn)識，Betz在葉片計算時采用了一些假設(shè)條件。隨著計算機(jī)技術(shù)發(fā)展，計算手段的顯著提高，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，人們對風(fēng)力發(fā)電葉片的認(rèn)識和理解也在逐漸深入。尤其是近十年來，經(jīng)過 研究 人員對風(fēng)力發(fā)電葉片進(jìn)行的多次現(xiàn)場載荷、聲音和動力測量以后，發(fā)現(xiàn)葉片的理論預(yù)測值與實際記錄值有較大的偏離。這可能是由于過多的相信了風(fēng)洞實驗，而對葉片服役期間可能遇到的較強(qiáng)動態(tài)環(huán)境和湍流條件考慮不足造成的。因此，一些相關(guān)人員對當(dāng)時的葉片計算采用假設(shè)條件提出了質(zhì)疑。

流體動力學(xué)計算和軟件的改進(jìn)使得 研究 人員能夠更精確的模擬葉片實際的受力狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改善葉片的空氣動力學(xué)特征，即使葉片在旋轉(zhuǎn)速度降低5％的情況下，捕風(fēng)能力仍可以提高5％；隨著葉片旋轉(zhuǎn)速度的降低，葉片運(yùn)行的噪音大約可以降低3dB。同時，較低的葉片旋轉(zhuǎn)速度要求的運(yùn)行載荷也較低，旋轉(zhuǎn)直徑可以相應(yīng)的增加。在此項 研究 的基礎(chǔ)上，德國的Enercon公司將風(fēng)力發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)直徑由30米增加到33米，復(fù)合材料葉片也隨著相應(yīng)的增加。由于葉片長度的增加，葉片轉(zhuǎn)動時掃過的面積增大，捕風(fēng)能力大約提高25％。

Enercon公司還對33米葉片進(jìn)行了空氣動力實驗，經(jīng)過精確的測定，葉片的實際氣動效率為56％，比按照Betz計算的最大氣動效率低約3～4個百分點。為此，該公司對大型葉片外形型面和結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了必要的改進(jìn)：包括為了抑制生成擾流和旋渦，在葉片端部安裝“小翼”；為改善和提高渦輪發(fā)電機(jī)主艙附近的捕風(fēng)能力，對葉片根莖進(jìn)行重新改進(jìn)，縮小葉片的外形截面，增加葉徑長度；對葉片頂部和根部之間的型面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，Enercon公司開發(fā)出旋轉(zhuǎn)直徑71米的2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，改進(jìn)后葉片根部的捕風(fēng)能力得異提高。

Enercon公司在4.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計中繼續(xù)采用此項技術(shù)，旋轉(zhuǎn)直徑為112米的葉片端部仍安裝的傾斜“小翼”，使得葉片單片的運(yùn)行噪音小于3個葉片(旋轉(zhuǎn)直徑為66米)運(yùn)行使產(chǎn)生的噪音。

丹麥的LM公司在61.5米復(fù)合材料葉片樣機(jī)的設(shè)計中對其葉片根部固定進(jìn)行了改進(jìn)，尤其是固定螺栓與螺栓空周圍區(qū)域。這樣，在保持現(xiàn)有根部直徑的情況下，能夠支撐的葉片長度可比改進(jìn)前增加20％。另外，LM公司的葉片預(yù)彎曲專有技術(shù)也可以進(jìn)一步降低葉片重量和提高產(chǎn)能。

三、風(fēng)機(jī)葉片的制造工藝

隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率的不斷提高，安裝發(fā)電機(jī)的塔座和捕捉風(fēng)能的復(fù)合材料葉片做的越來越大。為了保證發(fā)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)和塔座安全，不僅要求葉片的質(zhì)量輕也要求葉片的質(zhì)量分布必須均勻、外形尺寸精度控制準(zhǔn)確、長期使用性能可靠。若要滿足上述要求，需要相應(yīng)的成型工藝來保證。

傳統(tǒng)復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片多采用手糊工藝（Hand Lay-up）制造。手糊工藝的主要特點在于手工操作、開模成型（成型工藝中樹脂和增強(qiáng)纖維需完全暴露于操作者和環(huán)境中）、生產(chǎn)效率低以及樹脂固化程度（樹脂的化學(xué)反應(yīng)程度）往往偏低，適合產(chǎn)品批量較小、質(zhì)量均勻性要求較低復(fù)合材料制品的生產(chǎn)。因此手糊工藝生產(chǎn)風(fēng)機(jī)葉片的主要缺點是產(chǎn)品質(zhì)量對工人的操作熟練程度及環(huán)境條件依賴性較大，生產(chǎn)效率低和產(chǎn)品的而且產(chǎn)品質(zhì)量均勻性波動較大，產(chǎn)品的動靜平衡保證性差，廢品率較高。特別是對高性能的復(fù)雜氣動外型和夾芯結(jié)構(gòu)葉片，還往往需要粘接等二次加工，粘接工藝需要粘接平臺或型架以確保粘接面的貼合，生產(chǎn)工藝更加復(fù)雜和困難。手糊工藝制造的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片在使用過程中出現(xiàn)問題往往是由于工藝過程中的含膠量不均勻、纖維/樹脂浸潤不良及固化不完全等引起的裂紋、斷裂和葉片變形等。此外，手糊工藝往往還會伴有大量有害物質(zhì)和溶劑的釋放，有一定的環(huán)境污染問題。因此，目前國外的高質(zhì)量復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片往往采用RIM、RTM、纏繞及預(yù)浸料/熱壓工藝制造。其中RIM工藝投資較大，適宜中小尺寸風(fēng)機(jī)葉片的大批量生產(chǎn)（>50,000片/年）；RTM工藝適宜中小尺寸風(fēng)機(jī)葉片的中等批量生產(chǎn)（5,000-30,000片/年）；纏繞及預(yù)浸料/熱壓工藝適宜大型風(fēng)機(jī)葉片批量生產(chǎn)。

RTM工藝主要原理為首先在模腔中鋪放好按性能和結(jié)構(gòu)要求設(shè)計好的增強(qiáng)材料預(yù)成型體，采用注射設(shè)備將專用低粘度注射樹脂體系注入閉合模腔，模具具有周邊密封和緊固以及注射及排氣系統(tǒng)以保證樹脂流動順暢并排出模腔中的全部氣體和徹底浸潤纖維，并且模具有加熱系統(tǒng)可進(jìn)行加熱固化而成型復(fù)合材料構(gòu)件。其主要特點有：

閉模成型，產(chǎn)品尺寸和外型精度高，適合成型高質(zhì)量的復(fù)合材料整體構(gòu)件（整個葉片一次成型）；

初期投資小(與SMC及RIM相比)；

制品表面光潔度高；

成型效率高（與手糊工藝相比），適合成型年產(chǎn)20，000件左右的復(fù)合材料制品；

環(huán)境污染小(有機(jī)揮發(fā)份小于50ppm，是唯一符合國際環(huán)保要求的復(fù)合材料成型工藝)。

由此可看出，RTM工藝屬于半機(jī)械化的復(fù)合材料成型工藝，工人只需將設(shè)計好的干纖維預(yù)成型體放到模具中并合模，隨后的工藝則完全靠模具和注射系統(tǒng)來完成和保證，沒有任何樹脂的暴露，并因而對工人的技術(shù)和環(huán)境的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于手糊工藝并可有效地控制產(chǎn)品質(zhì)量。RTM工藝采用閉模成型工藝，特別適宜一次成型整體的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片（纖維、夾芯和接頭等可一次模腔中共成型），而無需二次粘接。與手糊工藝相比，不但節(jié)約了粘接工藝的各種工裝設(shè)備，而且節(jié)約了工作時間，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。同時由于采用了低粘度樹脂浸潤纖維以及采用加溫固化工藝，大大提高了復(fù)合材料質(zhì)量和生產(chǎn)效率。RTM工藝生產(chǎn)較少的依賴工人的技術(shù)水平，工藝質(zhì)量僅僅依賴確定好的工藝參數(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量易于保證，產(chǎn)品的廢品率低于手糊工藝。

RTM工藝與手糊工藝的區(qū)別還在于，RTM工藝的技術(shù)含量高于手糊工藝。無論是模具設(shè)計和制造、增強(qiáng)材料的設(shè)計和鋪放、樹脂類型的選擇與改性、工藝參數(shù)（如注射壓力、溫度、樹脂粘度等）的確定與實施，都需要在產(chǎn)品生產(chǎn)前通過計算機(jī)模擬 分析 和實驗驗證來確定，從而有效保證質(zhì)量的一致性。這對生產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片這樣的動部件十分重要。

第三節(jié) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片相關(guān)政策展望

一、國家將出臺政策扶持風(fēng)力發(fā)電設(shè)備產(chǎn)業(yè)

近日，國家發(fā)展和改革委能源 研究 所可再生能源發(fā)展中心主任王仲穎在“可再生能源發(fā)展論壇”上表示，當(dāng)前，我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的風(fēng)電機(jī)組整機(jī)缺口很大，風(fēng)電機(jī)組制造的核心技術(shù)國內(nèi)尚不掌握。對此，國家發(fā)展和改革委與財政部正在 研究 制定風(fēng)電機(jī)組整機(jī)與零部件國產(chǎn)化的支持方案，或?qū)碛凶灾髦R產(chǎn)權(quán)的風(fēng)電電機(jī)的整機(jī)及零部件的制造給予資金支持。

目前，從我國風(fēng)電設(shè)備的發(fā)展水平看，雖然已具備600kW和750kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的批量生產(chǎn)能力，但我國大部分風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)仍停留在中低端設(shè)備的設(shè)計與制造水平。中國風(fēng)能協(xié)會副理事長施鵬飛表示，由于核心技術(shù)的缺失，我國目前能批量生產(chǎn)的電機(jī)設(shè)備都是發(fā)達(dá)國家10年前生產(chǎn)的產(chǎn)品。

在高端風(fēng)電電機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)方面，我國部分企業(yè)雖然已邁入了兆瓦級的設(shè)計制造領(lǐng)域，但由于缺乏野外運(yùn)行的檢驗(設(shè)備的質(zhì)量要經(jīng)過大約20年的野外運(yùn)行考核)，樣機(jī)的推廣還存在一定困難。

施鵬飛指出，國內(nèi)風(fēng)電設(shè)備市場很廣闊，但由于國內(nèi)企業(yè)設(shè)計能力薄弱，高端設(shè)備技術(shù)大多掌握在外方手中，致使大部分國內(nèi)市場被進(jìn)口設(shè)備壟斷。據(jù)統(tǒng)計，2004年，我國風(fēng)電設(shè)備新增市場份額中，國產(chǎn)設(shè)備只占25％，進(jìn)口產(chǎn)品占75％；2005年，風(fēng)電設(shè)備新增市場份額中，進(jìn)口設(shè)備占70％以上；2006年，我國風(fēng)電設(shè)備市場60％的需求仍由進(jìn)口產(chǎn)品滿足。

隨著我國能源發(fā)展戰(zhàn)略的實施，國內(nèi)風(fēng)電設(shè)備的市場逐年擴(kuò)大。在國家發(fā)展和改革委制定的《風(fēng)力發(fā)電中長期發(fā)展 規(guī)劃 》中明確指出，到2010年底，全國風(fēng)電總裝機(jī)規(guī)模達(dá)到400萬kW；到2015年底，全國風(fēng)電總裝機(jī)規(guī)模達(dá)到1000萬kW；到2020年底，全國風(fēng)電總裝機(jī)規(guī)模達(dá)到2000萬kW。

風(fēng)電規(guī)模化發(fā)展給風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展提供了廣闊的市場空間。如何實現(xiàn)風(fēng)電設(shè)備的國產(chǎn)化已成為我國加快風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。

據(jù)悉，政府將對風(fēng)電設(shè)備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展給予相應(yīng)的政策性支持。由于風(fēng)電設(shè)備 行業(yè) 自身的特殊性，目前，對其整機(jī)或零部件的支持力度孰重孰輕，相關(guān)部門仍在 研究 審議中。

由于風(fēng)電產(chǎn)業(yè)投資存在周期長與風(fēng)險高等特點，專家認(rèn)為，國家應(yīng)在風(fēng)電設(shè)備自主化方面給予大力支持。例如，國家應(yīng)從法律法規(guī)、檢測認(rèn)證方面來推進(jìn)風(fēng)電設(shè)備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

目前，科技部已將風(fēng)電設(shè)備產(chǎn)業(yè)化列入《2007年度科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金若干重點項目指南》的重點支持項目中?？萍疾肯嚓P(guān)負(fù)責(zé)人表示，國家將通過貸款貼息等方式支持大、中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化。

二、國家將制訂專門政策鼓勵國產(chǎn)大功率風(fēng)力發(fā)電設(shè)備

由于國家大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電，去年以來，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備十分緊俏，價格大幅度增長。國家將制訂專門政策鼓勵國產(chǎn)大功率風(fēng)力發(fā)電設(shè)備。

國家發(fā)改委副主任張國寶說：“原來我們 規(guī)劃 是到2010年能夠建到200萬千瓦風(fēng)電機(jī)組，但從現(xiàn)在發(fā)展形勢來看，完全可以大大超過，甚至于可以達(dá)到1000萬千瓦。風(fēng)力設(shè)備制造商的任務(wù)訂單都非常飽滿。”

由于我國大型風(fēng)力發(fā)電的設(shè)備主要靠進(jìn)口，或者是進(jìn)口技術(shù)和部件組裝，目前盡管我國有30多家風(fēng)力發(fā)電設(shè)備制造廠家，但是多數(shù)只能制造750千瓦以下的小風(fēng)力發(fā)電機(jī)，能生產(chǎn)1500千瓦以上的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的廠家只有３家，且產(chǎn)量很小。以建設(shè)一臺1500千瓦的機(jī)組為例，1300萬元的造價中，買風(fēng)機(jī)就要花掉1000萬元，這意味著未來上千億元的市場蛋糕，大頭都進(jìn)了外國人的腰包。

據(jù)了解，目前國際上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的訂單已經(jīng)排到2009年，價格也上漲了25％，國家正在制定鼓勵國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)大風(fēng)電機(jī)組的 規(guī)劃 和優(yōu)惠政策，預(yù)計年內(nèi)就會出臺。

三、鼓勵風(fēng)力發(fā)電的稅收優(yōu)惠政策

風(fēng)力發(fā)電的成本主要是固定資產(chǎn)投資成本，約占總投資的85％以上。按照我國增值稅抵扣政策，固定資產(chǎn)投資的增值稅不能抵扣。風(fēng)力發(fā)電執(zhí)行17％的增值稅稅率，因為沒有購買燃料等方面的抵扣，因此風(fēng)力發(fā)電實際稅負(fù)明顯高于火力發(fā)電。針對風(fēng)力發(fā)電上述問題，國家經(jīng)貿(mào)委在深入調(diào)查 研究 的基礎(chǔ)上，經(jīng)與財政部、國家稅務(wù)總局協(xié)調(diào)，提出給予風(fēng)力發(fā)電減免增值稅優(yōu)惠政策的建議，以鼓勵風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，財政部和國家稅務(wù)總局聯(lián)合下發(fā)文件明確：對風(fēng)力發(fā)電實行按增值稅應(yīng)納稅額減半征收的優(yōu)惠政策。

按照新的稅收政策，我國風(fēng)電電價平均將降低約5－6分錢，新建風(fēng)電場電價水平有望降低到0.50元/千瓦以下，這將會對我國風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)化發(fā)展產(chǎn)生積極的影響。

四、風(fēng)力發(fā)電將享受多項優(yōu)惠政策

我國風(fēng)力發(fā)電、已進(jìn)入了大發(fā)展時期，但技術(shù)產(chǎn)能、市場、均還主要控制在、外國公司手中，我國的制造業(yè)、眼看著真金白銀、流入別人腰包。我國到2010年和2020年風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)分別達(dá)到500萬和3000萬千瓦的宏偉目標(biāo)并且（正在制定相關(guān)的包括電價和分?jǐn)偟鹊葍?yōu)惠政策。

要達(dá)到風(fēng)電裝機(jī)3000萬千瓦的規(guī)模就意味著今后每年風(fēng)電機(jī)組制造市場有200億元的規(guī)模。但是目前，我國生產(chǎn)的風(fēng)電機(jī)組只占國內(nèi)市場的不到30％，并且主要是中小型的機(jī)組。而我國待開發(fā)的風(fēng)能儲量大約有10億千瓦，相當(dāng)于現(xiàn)在全國發(fā)電總裝機(jī)容量的兩倍，市場前景巨大。

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