专题报告

陈远杰:浅谈风电叶片开发机遇和挑战

2022-08-20    东方风力发电网
 
迪皮埃风电叶片(扬州)有限公司技术专家陈远杰

陈远杰:尊敬的各位领导、各位来宾、大家下午好!我是来自迪皮埃的陈远杰,今天跟高兴代表迪皮埃在这里和大家分享叶片开发的机遇和挑战。我分享的内容有四部分,包括公司介绍、叶片尺寸大型化趋势、叶片大型化带来的挑战及3060目标下风电行业的市场机遇。

我用三个数字简单介绍迪皮埃。

第一个数字7万,迪皮埃是每只风能叶片最大制造商,全球累计交付超过7万只风电叶片。第二是50,迪皮埃成立于1968年,在大型复材构件领域已经拥有了50年的研发和创新的经验。第三,5,目前迪皮埃全球的工厂分布在美国、墨西哥、土耳其、中国及印度等5个国家。

叶片尺寸大型化趋势,风机单机容量逐渐增大,海上风机2010年平均单机容量2.6兆瓦,但到现在2021年已经增加到6兆瓦,目前已经开发的有16兆瓦、18兆瓦,陆上风电2010年主要是1.5,但到现在增加到了4兆瓦、5兆瓦及更大的机型。相应风能直径和塔高尺寸在不断地增长,对应核心部件、叶片2010年主流是在40米左右,但到现在80米、90米,甚至100米的叶片已经有很多叶片长下线。所以风力和尺寸不断地刷新记录。

风电基础的容量在不断地刷新记录,叶片的长度也在不断地加长。随之而来的挑战也愈发明显,无论从开发周期、开发技术,还是开发成本都会带来前所未有的挑战,也需要有革命性的创新和突破来适应后期的发展。我今天从三个方面一起简单探讨。

首先,叶片的开发周期。将开发周期可以简单分为三个阶段,即设计阶段、制造阶段和测试阶段。通常一款叶片的开发,不包括叶片的转型升级,开发周期大概需要80周,这周期显然太长。当然,每一个阶段之间并没有严格界限,很多工作都可以同时进行,比如设计阶段和制造阶段有很多时间可重叠,叶片外形确定后可以做结构设计和模具开发。结构设计的同时做工艺设计,开展工艺实验,材料认证、设备认证等等,从而大大缩短开发周期。

其次,开发技术,我同样从三个方面简单探讨,包括设计、制造、检测。设计端追求更高的AEP,更低的LCOE,结构轻量化和可靠的雷电保护系统。制造端追求高精度、高效率、低成本及智能化的制造系统,检测端追求全面化、无纸化、可视化、虚拟化、自动化的无人检测系统。

(PPT图示)开发技术最前端翼型开发,在最开始的时候应该要考虑到结构和工艺,在相同负荷水平下,AEP达到最高,同时度电成本最低,最大限度减少在污染条件下性能的下降及追求更高的可制造性。同时结构方面追求结构轻量化,轻质高强的碳纤维新材料是重要途径,碳纤维的应用包括纤维纱、纤维布和纤维板,结合不同的工艺方法将材料的性能发挥到最佳。这里也需要采用一些特殊的工艺保证碳纤维版的精确位置和层间的性能,同时考虑到碳纤维的导电属性,碳纤维叶片在风场很容易遭到雷击,这提出了更高要求。即使在设计端已经考虑得非常详细了,也优化出了最优的方案,可是要收获真正意义的高品质,要保证制造过程与原始设计高度契合,比如从输入到输出到反馈,再到输入,形成全链的闭环。我们将系统称为闭环制造系统。它是一套能够串联设计、制造、检测的闭环系统,根据设计输入,结合生产工艺、制造精度和经验参数进行建模,运用数据分析、机器学习、人工智能和光学系统实现各个环节的互联。为设计优化和后期的工艺改进及过程的品质管控提供最基础的数据服务。为了实现闭环制造,首先要建立全尺寸的数据模型,依据设计输入,将叶片结构中的每个部件,包括每一层玻纤、芯材、大梁、预制件、粘接等工艺要求建立流程,应用软件建立数据模型,数据模型可以用于叶片前期的光线套材、叶片尺寸、工艺、工装、设计及生产过程中的自动检测。

基于前面所说的数字模型,可以扩展质量检测方法,采用机器视觉自动检测代替手动检测,还原真实的制造过程和数据,实现机器视觉系统,检测生产过程中的制造缺陷,比如纤维干纱、异物、芯材间隙、腹板位置等都可以做检测。

基于自动检测的理念,利用在数据模型基础上扩充的检测方案,结合实际制造过程设定的检测要点,实现虚拟质量检测,比如采用虚拟质量检查取代检验员进入模具内的检验检查,可以避免人工检测时的漏检或误检的风险,提高检验效率,并有完整的在线制造视频的记录。

开发成本方面,一方面实现高品质、高效率的方法,应用前沿的技术势必会带来前期投入的增加。另一方面,基础的价格下降显著,从图上可以看到,2019年的时候大概是在4000元每千瓦,但2020年开始大幅度下滑。到今天单价已经低于2000了,叶片作为关键部件之一,成本占25%左右,面临巨大的降本压力。

需要投入大量模具、设备、工装,前期投入可能是上亿的,也许更多。这是前期叶片开发的巨大挑战,我们需要设计一系列柔性化的制造方案,适应产品的高速更新换代的节奏,减少大量的固定资产的重复投入。

另外,材料的价格持续上涨,尤其是去年环氧树脂涨幅达到了30%,人工成本每年在上升,2012年到2020年工资从四千涨到了一万。

面对成本方面的巨大挑战,我们也更需要利用一些先进的制造工艺实现科学降本,使用闭环制造系统的自动检测和机器视觉来采集数据进行分析和计算,合理优化资源配置,减少人工、材料和时间的浪费。

市场机遇方面。在碳达峰和碳中和发展目标的推动下,“十四五”期间新增装机量合计225GW,相当于每年新增45GW。根据全球海上风电长期累计装机量的预测,2020年到2050年期间,年均新增装机量将超过60个GW,而且可以从图片中看到,从平均的发电成本来看,风电很有优势。为了实现碳中和的宏伟战略目标,未来我国的电力系统新增装机以新能源发电为主。2060年将实现超过96%的电源为清洁能源。所以从总体来看,风电叶片的技术和成本确实面临着巨大的挑战,但未来很美好。

希望各位领导、各位专家及每一位风电人共同努力,汇报到这里,谢谢大家!

(文章内容来自于现场速记,未经本人审核)