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国产碳纤维风电叶片时代即将到来

文章出处:网络责任编辑:管理员人气:发表时间:2015-09-17【

一边是成本略低的玻璃纤维,一边是重量更轻的碳纤维,成本与重量如何取舍,材料与技术怎样演变,
75米叶片承载的挑战并不轻松。

2014年开春,75米叶片在中复连众低调下线。在我国风电前两年发展不畅,且海上风电开发还未取得突破性进展的背景下,这样的动作不禁令人唏嘘:一是我国海上风电是否将有新的突破;二是本已保持着本土厂商叶片产品长度记录的中复连众又推出更长的产品,目的何在?

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中复连众总经理乔光辉在谈到这两个问题时,向记者表达的更像是一种决心: 内容来自123456

“中复连众作为风电行业坚定的参与者,相信行业即便暂时碰到点困难,也无法掩盖风电这种可再生能源的发展前景。”乔光辉说,“另外,去年的一些信号说明海上风电的发展尽管步伐还不确定,但有加快的可能,因此有必要推出这个产品。” 本文来自123

姑且抛去该叶片下线的结果不谈,只从该叶片较长的研发进程上看,其诞生很符合中复连众历年的产品研发规律,有很强的合理性。

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在2010年推出62米5兆瓦叶片后,中复连众根据客户需求,通过结构的重新设计,将其升级为6兆瓦机组配套产品,但其技术经济特性“不见得是最理想的”。因此,该公司早就开始了更长叶片的开发。

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另外,开发75米叶片也与相关整机商的产品步伐有关。该叶片的开发正是某海上风电场开发项目的一部分,且早已确定了目标用户。“中复连众也有竞争对手,甚至包括外企,用哪家的叶片还需要通过检测确定。”乔光辉说。 123456

应该说75 米碳纤维叶片是由于工艺的突破而获得技术上的进步。 123456

乔光辉所提到的项目位于上海,已经确定的整机商正是中复连众的传统合作伙伴,与中复连众曾相互成全为各自领域的佼佼者。但与此同时,该项目中开发商也非常关注机组的选型,甚至对零部件企业也有要求。

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中复连众对这款75米叶片的设计,可以追溯到2011年,但因为整机商最终选择了改款的62米叶片进行配套,使其研发工作有所推后。“另外国内的海上风电项目也一直在延期,没有什么大的突破,致使叶片开发进度拉长。”中复连众副总经理刘卫生解释。 本文来自123

在75米叶片的研发过程中,中复连众于2007年在德国设立的SINOI公司因具有较强的科研能力,对这项工作给予了一定支持。但在具体的设计上,则主要是与另一家德国设计公司合作完成。中复连众在其中所参与的内容,主要体现在结构设计、材料测试、选型、工艺设计、模具设计和制造等方面。

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重点参与结构设计,对中复连众来说有一定基础。早在研制62米叶片时,该公司就采用了类似的手法,既规避了数千万的投资风险,又保证了公司内部具有结构设计调整能力,为后续产品推出打下基础。例如,其为湘电风能所配套的62米叶片,就与为华锐配套的62米叶片在结构设计和连接方式上有一定的差别。 内容来自123456

刘卫生介绍,国外设计公司的设计一般比较保守。这也正好符合中复连众更加关注产品质量的理念。虽然重量不太轻,但可以获得更多的发电量和更高的可靠性。 123,123

除了长度外,75米叶片所使用的材料在国内也属于一次突破性的尝试。事实上,中复连众此番推出的75米叶片,并非只是采用玻璃纤维材料的产品,同时还有一款碳纤维的设计。这样做的目的,是对两者进行一系列的对比试验。这些对比主要体现在材料、制造工艺、重量、成本以及性能等方面。

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在该款叶片的研制过程中,材料厂商的参与和材料来源极为重要。

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据了解,中复集团内部不但有中复连众这样的玻璃纤维产品生产企业,也拥有碳纤维产品制造企业,同时,中复连众也在制造爱游戏官方app复合芯导线,对于碳纤维产品的研发具有先天优势。因此,出于对未来大批量产品成本的考虑,中复连众在对75米碳纤维叶片进行选材的过程中,对数家材料厂商的产品进行了对比检测与评价,意图在进口与国产材料中进行最优化的选择。 123456

最终,处于保守起见,中复连众选择了以进口为主、国产为辅的配料方案,将国产材料与进口材料配合使用。

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“大量测试的结果表明,国产材料没问题,目前主要考察稳定性。国产材料来自于集团内部,风电行业如果用了,使用量将比较大。”刘卫生说。

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同时,制造工艺的突破也使得碳纤维叶片与玻璃纤维叶片在诸多方面更加接近。

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资料显示,目前所出现的碳纤维叶片,主要以在主梁上使用碳纤维为主。据中复连众连云港叶片厂长任根群介绍,风电叶片主梁的作用主要是增加强度和刚度,相当于船的龙骨,人的脊柱。无论叶片长短,主梁至关重要。而在大叶片上使用碳纤维主梁的想法,中复连众的管理层很早之前就有所考虑。

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“在2011年我们就想在62米叶片上使用碳纤维主梁,制造工艺为预浸料技术。”刘卫生谈到。

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但由于多种原因,预浸料工艺最终未能在62米和75米叶片中使用。而在75米碳纤维叶片的主梁上,中复连众采用的是另一种碳纤维制造工艺——真空灌注。 内容来自123456

“碳纤叶片的真空灌注工艺与玻纤叶片的工艺非常接近,等于避开了预浸料环节。这主要得益于选择了一种合适的树脂体系,但它与做玻纤叶片的树脂还是略有差别,需要更长的灌注时间和更小的粘度,应该说75米碳纤维叶片是由于工艺的突破而获得技术上的进步。用真空灌注工艺做成碳纤维主梁,中复连众在国内应该说是第一家。”刘卫生说。 内容来自123456

然而,以真空灌注工艺生产出的碳纤维主梁,在拉伸性能、弯曲模量方面与使用预浸料工艺的产品相比还有差距,因此为了保证性能而使用了更多的材料。这一点被直接反应在主梁的重量上:一支75米叶片所需的两根碳纤维主梁,采用真空灌注工艺的重量比采用预浸料工艺的重约700公斤。

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虽然未使用预浸料工艺,但即使用了真空灌注工艺制造碳纤维主梁,其投入也是巨大的。据测算,一只接近2吨的主梁,其材料成本即达到40万左右。而且由于制造主梁的碳纤维织物不能重复利用,在进行研制的过程中有废弃的可能。同时,由于采用真空灌注的模具成本也比较高,从而产生了一定的投资风险。

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在碳纤维叶片与玻璃纤维叶片的比对中,重量是最为关键的因素之一。

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“随着叶片的大型化,使用碳纤维是有必要的,因为叶片减轻了重量的同时,也减少了对其他部件的载荷要求。但碳纤维价格高,处于中国市场不得不考虑成本问题,所以75米碳纤维叶片推向市场会有来自成本的一些压力。因此我们也做了玻璃纤维产品,想通过对比看看玻璃纤维的产品是不是虽然重一些,但成本也低一些,市场会更容易接受。”乔光辉说:“同时,我们也想了解碳纤维产品重量的减轻,对整个机组提高效率和降低成本有多大好处,期望在实际应用当中相互比较一下两者的区别。” 本文来自123

根据测算,叶片越长,使用碳纤维材料就越有优势,因为碳纤维材料不但轻,而且强度很高,从而在使主梁重量有效降低的同时,还可以使叶片其他部分减重。更高的强度促使被减轻的重量在更长的叶片身上几何式增长,从而使更长的叶片在使用碳纤维材料时,综合成本更低。 123456

虽然理论如此,但刘卫生坦言,按照几年前的设计理念,长达75米的叶片使用玻璃纤维材料几乎不可能,但现在看来,即使是用了也无非是重了一些。

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据介绍,75米碳纤维叶片比相同叶型的玻璃纤维叶片轻约7吨,3支叶片合计减重约21吨。虽然这已经是一个相当引人注目的数据,但由于6兆瓦机组的其他部件远远超过了这个重量,对于一些不同设计理念的整机商来说,意义或许并不太大。 copyright 123456

例如国外某整机商,宁愿将机舱和基础等机械部分做重一些,采用分段叶片,也不去通过材料的改进换取更轻的重量,这与整机商的整体设计理念有关。 123456

在进行重量对比的同时,成本也是两类叶片对比的另一要素。

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目前国内用户对碳纤维叶片的产能、技术、可靠性等诸多方面缺乏充分了解,首要选择是玻璃纤维叶片。如果碳纤维叶片的价格超出玻璃纤维叶片过多,重量却比其轻不了太多,那么它将很难获得市场认可。

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实际上,中复连众在很久之前就曾试图通过对比试验,核算碳纤维叶片与玻璃纤维叶片在重量和成本之间的差异。但由于叶片重量、强度、价格经简单核算差距明显,一直不存在可比性,直到当下这样的对比才有意义。

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“在40多米到62米的叶片上都想做碳纤维主梁,但觉得与玻璃纤维叶片相比成本差距明显,现在相对来讲是一个比较好的时机,初步来看我们认为值得做了。”刘卫生说。 本文来自123

除分别制造75米玻璃纤维和碳纤维叶片的目的为对比试验外,中复连众对该叶片的制造过程本身就是获益匪浅的,在制造能力方面有了全面的提升。 123456

“除了科研能力的提高外,75米叶片的研制也提高了中复连众的制造能力。”乔光辉对记者说。 内容来自123456

75米叶片的制造过程,与常规风电叶片并没有本质差别。从操作层面上来看,第一步是制作玻璃纤维或碳纤维主梁预制件,然后是在模具上根据工艺要求一层层的铺设玻璃纤维织物等,进行真空注胶,固化后安装筋板、合模。

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在这个过程中,75米碳纤维叶片与常规叶片略微不同的步骤体现在几个细节上。首先是碳纤维主梁的制造,其次是加热方式不同,此外是需要更多人员参与。

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记者对两只预制生产的碳纤维主梁观察发现,其两边较为轻薄,中间明显增厚,制造该主梁的模具就放在预制件的旁边,为玻璃纤维材质。据任根群介绍,整个碳纤维主梁浑然一体,是通过数十层碳纤维织物铺出来的,每层织物的起始点和终结点,乃至长度都不一样。根据受力点不同,设计要求最长的一层织物长近73米,短的也在50米以上。 123456

据介绍,75米碳纤维叶片的模具在几年前就已经制造完成,但当时是按照预浸料工艺的要求制造的,在确定使用真空灌注工艺后,技术人员对该模具的加热方式和设备进行了改进。同时,中复连众使用班组作业的方式提高了作业效率,生产该叶片仅比生产常规叶片增加10位工人。根据目前的产能,中复连众制造一支75米叶片大约需要一周时间,如果遇到时间有限的大批量订单,其制造效率主要会被限制在只有一套模具上,需要再增加模具数量。 copyright 123456

“它对工人的操作技能要求更高,使得工人技术能力也有提高。在该叶片上使用的一些改进,小叶型也能够用上。”任根群说。 内容来自123456

另外,该叶片也考验着中复连众的生产空间和运输能力,在这两个方面,其连云港叶片工厂发挥了重要优势。

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据记者观察,由于还未喷刷涂料,已经生产出来的75米叶片无法放在连云港叶片工厂的空地上,而是架在车间里。这样一个长120米、宽30米的车间,也只能放下一套模具和一只叶片。中复连众连云港叶片工厂占地达688亩,仅此类大小的车间就有数十个,虽然隐性的生产和存放成本颇高,但对于该工厂来说,生产和存放大量的75米叶片,也并非难事。 123456

此外,由于该基地临近港口便于海运,3.6兆瓦和5兆瓦叶片也在此处生产。虽然75米叶片比62米叶片长出不少,但经过测算,由于叶片所占的宽度还在可承受范围,未来该叶片的运输仍将采用与62米叶片相同的方式。 内容来自123456

“陆上运输车为特种车辆,前后分为两节,中间有杆子相连。虽然从这里到港口开车不到一个小时,但运75米叶片是一个很费劲的工作,需要专门的一个团队去指挥,昨天我们刚运走一只62米叶片。”任根群说。 123,123

中复连众75米叶片的下线,为国产碳纤维叶片与玻璃纤维叶片之间的对比提供了有益尝试,为大叶片选材、碳纤维叶片的产业化研究提供了依据。也正是在此同时,中复连众的科研水平和制造能力也得到了一定的提升。

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据了解,中复连众正在建设10兆瓦风电叶片试验台,以形成对“超长”叶片进行测试的能力。不久的将来,这里或将迎来比75米更长的叶片。 copyright 123456


 
 

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