風力發電發展現狀及復合材料在風力發電上的應用簡介
摘 要：
本文較詳細的敘說了風力發電發展現狀、風能現狀及資源分布和復合材料在風力發電上的應用等內容。
關鍵詞：風力發電 發展現狀 風能資源分布 復合材料 風電葉片
引 言
社會的發展，經濟的持續增長，能源消耗的持續增加……
面對日益嚴峻的能源形勢：化石燃料日益枯竭，范圍的能源困局。迫使各國不得不討論后續能源的接續問題。
在各種各樣的選擇中，風力發電已逐漸成為值得考慮的選擇。風能資源是清潔的可再生能源，風力發電是新能源中技術成熟、具規模開發條件和商業化發展前景的可再生能源技術，在遠期有可能成為重要的替代能源。
上很多對風電的開發給予了高度重視及政策激勵。風電裝機規模不斷增大，機組單機容量也不斷擴大，海上風電已經起步并逐步商業化。
歐洲風能協會和綠色和平組織的《風力12：關于2020年風電達到電力總量12%的藍圖》正是基于此而出臺的。
風能資源豐富，主要集中在三北地區及東部沿海風能豐富帶。設計、制造、建設及管理能力的逐步提高，使我國已經具備大規模發展風電的前提條件。
1. 風電發展現狀
1.1 風電發展現狀簡況
國際原油價格持續高漲及京都議定書的實施，產業化條件為成熟的風力發電成為歐美發達推動可再生能源發展的選項目。
2005年風電市場，仍以歐美發達為主，亞洲地區目前尚處于開發狀態，潛力不容小覷。亞洲的風電市場領頭羊印度，2005年的累計容量容量為4430MW，超越丹麥成為全第四大風力發電。（不包括臺灣省裝機）及日本所安裝的風機容量皆突破1000MW大關。
1.2 裝機規模持續高速增長
上很多，尤其是發達，已充分認識到風電在調整能源結構、緩解環境污染等方面的重要性，對風電的開發給予了高度重視及政策激勵。
2004年新增風電裝機約760萬kW，風電裝機累積4791萬kW。2005年新增風電裝機約1141萬kW，風電裝機累積5932萬kW。
從圖2可以看出風電的發展主要仍集中在歐美發達，而亞洲的印度及則是未來十年被看好的潛力市場。
2005年新增裝機容量以美國為多，達到2431MW，而2004年僅有389MW。美國主要受惠于2005年風力發電PTC(Production Tax Credit)法案延長至2007年所致。
歐洲的發展現狀以法國成長快，為達到2010年4000MW的風力發電發展目標，2005年法國新增367MW風力發電裝機容量，較2004年成長1.6倍，預計2007年初將完成7個項目，風力發電容量將新增278.3MW。而及第二大風力發電，德國和西班牙在2005年新增風力發電裝機容量的表現卻令失所望，皆呈現負成長，合計較去年減少超過500MW的新增裝機量。德國因新財政措施、管理限制及可再生能源法案(Erneuerbare-Energien-Gesetz, EEG)宣布降低風力發電購買價格等因素，不利于風力發電項目的開發；加上陸地市場早已飽和，海上風場設置尚待觀察的影響，2005年的新增容量更較2004年減少12%。雖然西班牙在2005年較2004年短減14.5%，但累計風力發電裝置容量次突破10GW。且為達到該國政府2010年20,000MW的風力發電目標，預估西班牙風力發電市場未來仍會持續成長。
亞洲風能三小龍：印度、及日本
亞洲地區在2005年累計風機裝置容量達7,135MW，年成長率超過49%；新增容量則為2,352ＭＷ。其中，印度新增風力發電裝機容量達1,430ＭＷ居冠，其次為（不包含臺灣省裝機）為498MW，日本則新增295MW屈居第三。印度在2005年累計裝機容量方面達4,430MW，成為第四大風力發電。而因預期2006年1月實施的《可再生能源法》將帶來龐大商機，2005年風力發電市場較2004年成長超過1.5倍，累計裝置容量達1,266MW。預計在2006年底止，將安裝2,000MW的風機容量，以達到發展與改革委員會制定的風機裝機容量目標：2010年達到5,000MW。日本風機裝置容量大都集中在北海道及本州島北部地區，約占6成之多，2005年11月更在北海道北端的宗谷岬風場建成全日本大的風力發電站－57MW裝機容量，全數采用國產三菱重工MWT-1000A機型。相較于印度及風力發電市場的急劇增長，日本則有停滯現象，故若要達2010年前裝置3,000MW的風電目標，日本政府關于風電推進政策成為關鍵。
1.3 單機容量不斷擴大
風電機組的技術沿著增大單機容量、減輕單位kW重量、提高轉換效率的方向發展。
MW級機組的市場份額明顯增大，1997年及以前還不到10%，2001年則超過一半，2002年達到62.1%，2003年達到71.4%。2003年安裝的風電機組平均單機容量達到1.2MW。我國風電機組單機容量也從600kW逐步走向MW級。
更大型、性能更好的機組也已經開發出來，并投入生產試運行。如丹麥新建的幾個風電場，單機容量都在2兆瓦以上；摩洛哥在北方托萊斯建造的風電場，采用的風電機組功率達到2.1兆瓦。
據報道，德國REpower公司5MW的機組是目前上單機容量大的風力發電機，其葉輪直徑為126米，面積相當于2個足球場。發電機塔身和發電機總重量為1100噸，發電機由3片葉片推動，每片長61.5米，葉片高點離地面183米。該風電場生產出來的電量之大，相當于常規電廠，而且可以在幾個月的時間內建成。
隨著海上風電場的建設，需要單機容量更大的機組。預計2010年將開發出單機容量10MW的風電機組。
1.4 主要風電設備供應商
根據有關公司年銷售額的業績，風電機組主要制造商依然集中在歐美。亞洲的代表為印度SUZLON能量公司及日本三菱重工（MHI）。
表1和表2分別列出了2003年及2004年前10位風電設備供應商及其所占市場份額。
從表1和表2可知，當之無愧的風電領頭羊丹麥Vestas風能系統公司在2004年成功并購NEG Micon后仍保持了較高的增長率，其市場份額擴大為34.1%；市場份額增長快的是西班牙Gamesa公司，從2003年的第4位躍升至2004年的第2位，市場份額達到17%（另一說為18.1%）；GE風能則因美國國內市場的疲軟而退居第4；SIEMENS在收購丹麥Bonus公司后一直未有大的動作。在2004年前10位中值得一提的是印度SUZLON公司，躍居第6位，向充分顯示了它的強勁發展勢頭。
1.5 海上風電場
2002年丹麥在Horns Rev海域建成了上大的海上風電場，擁有80臺2MW機組，裝機容量16萬kW，標志著大規模的商業化海上風電場“起飛”。2003年又建成更大的近海風電場，擁有72臺2.3MW機組，裝機容量16.56萬kW。目前，近海風電總裝機容量為53萬kW。
德國正在北海建設近海風電場，總功率在100萬千瓦，單機功率為5MW，可為6000戶家庭提供用電，計劃2004年投產。
我國風電發展策略是先陸上，后海上。隨著風電技術成熟，成本下降后，我國也將大規模開發海上風電。
1.6 展望及預測
國際能源署(IEA)在《能源展望2002》(World EnergyOutlook2002)中的預測，按照“參考情景(reference scenario)”預計，全風電裝機遠景展望如下：2010年：5500萬kW；2020年：1.12億kW；2030年：1.95億kW。2020年時風力發電量將占總發電量的10%。
歐洲風能協會和綠色和平組織簽署了《風力12――關于2020年風電達到電力總量的12％的藍圖》的報告，期望并預測2020年的風力發電裝機將達到12.31億KW（是2002年風電裝機容量的38.4倍），年安裝量達到1.5億KW，風力發電量將占發電總量的12％”。
的風電裝機容量預計到2020年達到2000萬kW，按發電量計，屆時風電將占總發電量的1%。
2. 風能資源及其分布
2.1 風能資源
據有關研究成果估計，我國風能僅次于俄羅斯和美國，居第三位，理論儲量32260GW，陸地上離地10m高可開發和利用的風能儲量約為2.53億kW(依據陸地上離地10m高度資料計算)，近海（水深不超過10米）區域，離海面10米高度層可開發和利用的風能儲量約為7.5億kW，共計10億kW，風能資源非常豐富。
2.2 風能資源分布
我國幅員遼闊，地形條件復雜，風能資源狀況及分布特點隨地形、地理位置不同而有所不同。風能資源豐富的地區主要分布在東南沿海及附近島嶼以及“三北”(東北、華北、西北)地區。另外，內陸也有個別風能豐富點，海上風能資源也非常豐富。
2.2.1“三北”(東北、華北、西北)地區
“三北”地區包括東北3省、河北、內蒙古、甘肅、青海、西藏和新疆等省／自治區近200km寬的地帶，風功率密度在200~300W／m2以上，有的可達500W／m2以上，可開發利用的風能儲量約2億kW，約占陸地可利用儲量的79%。
該地區風電場地形平坦，交通方便，沒有破壞性風速，是我國連成一片的大風能資源區，有利于大規模的開發風電場。
2.2.2 東南沿海及島嶼地區
包括山東，廣西和海南等?。醒睾＝?0km寬的地帶，年有效風功率密度在200W／m2以上，沿海島嶼風功率密度在500W／m2以上，風功率密度線平行于海岸線，可開發利用儲量為0.11億kW，約占陸地可利用儲量的4%。東南沿海及其島嶼是我國風能佳豐富區。我國有海岸線約1800km，島嶼6000多個，大有風能開發利用的前景。
該地區經濟發達，風能資源豐富，風電場接入系統方便，與水電具有較好的季節互補性。
2.2.3 內陸局部風能豐富區
在陸上除兩個風能豐富帶之外，風功率密度一般在100W／m2以下，可以利用小時數在3000h以下。但是在一些地區由于湖泊和特殊地形的影響，形成一些風能豐富點，如鄱陽湖附近地區、湖北的九宮山和利川以及湖南八面山等地區，適合建設零星的中小型風電場。
2.2.4 海上風能豐富區
海上風速高，而且很少有靜風期，可以有效利用風電機組發電容量。海水表面粗糙度低，風速隨高度的變化小，可以降低塔架高度。海上風的湍流強度低，沒有復雜地形對氣流的影響，減少風電機組的疲勞載荷，延長使用壽命。一般估計風速比平原沿岸高20%，發電量增加70%，在陸上設計壽命20年的風電機組在海上可達25年到30年。
我國海上風能資源豐富，10m高度可利用的風能資源超過7億kW，而且距離電力負荷中心很近。隨著海上風電場技術的發展成熟，經濟上可行，將來必然會成為重要的可持續能源。
3. 風電產業狀況
3.1 風電現狀
在科技部等有關部門的主持下，通過“六五”、“七五”、“八五”、“九五”的科技攻關，在原計委“乘風計劃”和原經貿委“國債風電”項目的帶動下，我國大型風力發電機組及其部件的設計制造方面取得很大的進展。形成了以風力發電機組總裝企業為龍頭、風力發電機組零部件制造廠相配套的格局；完成了以600kW風力發電機組為主導機型的國產化進程。自主研發的750kW機組已批量投放市場?！笆濉逼陂g，為了趕超國際風力發電機組設計、制造先進水平，科技部又投入資金支持研制開發MW級風力發電機組。具有自主知識產權的1.2MW直驅型已于2005年研制成功并投入試運行。
我國風電產業開始步入穩步發展階段。
2005年內退役的機組21臺，1720kW，減少1個風電場。
2005年除臺灣省外新增風電機組592臺，裝機容量50.3萬kW（此數據選自<2005年風電場裝機容量統計/施鵬飛>，另一普遍采用數據49.8萬kW）。與2004年當年新增裝機19.8萬kW相比，2005年當年新增裝機增長率為254%。
2005年（除臺灣?。┩饫塾嬶L電機組1864臺，裝機容量126.6萬kW，風電場62個。分布在15個省（市、區、特別行政區）。與2004年累計裝機76.4萬kW相比，2005年累計裝機增長率為65.6%。2005年風電上網電量約15.3億千瓦時。
隨著風電技術水平不斷提高，一個明顯的趨向是朝著單機容量大型化發展。我國迄今為止單機容量大的機組為1500kW風力發電機組，2005年共計裝機69臺（不包括臺灣省裝機，其中GE風能裝機62臺，東方汽輪機廠4臺，NORDEX 3臺）。
2005年，新疆自治區累計裝機296臺，累計裝機容量達181410kW，重新回到位。其次是內蒙古自治區，累計裝機260臺，累計裝機容量達165740kW；第三是廣東省，累計裝機271臺，累計裝機容量達140540kW。
國外風力發電機組仍然占據著國內風電市場的主要地位。
2005年累計市場份額：國內產品占22.7%，進口產品占77.3%（2004年為18% ：82%）。2005年，國內風電市場仍以國外產品為主，占當年新增容量的70.6%（2004年為75%）。
3.2 國內風力發電機組整機開發單位
（1）、新疆金鳳科技股份有限公司
1997年引進德國Jacobs公司600kW風力發電機技術，現已產100余臺（2005年數據未統計入內）。2003年開發成功750kW風電機組，于2004年投放市場。600kW機組已完產化，750kW機組已60%國產化。
（2）、浙江運達風力發電設備有限公司
與丹麥BONUS公司合作生產120kW風力發電機，獨立開發200kW、250kW機組，國產化率達90%以上，擁有完全自主知識產權。2003年開發成功750kW機組并投入運行。
（3）、西安維德風電設備有限公司
1999年與德國NORDEX公司組建合資公司，組裝600kW機組。但國產化率不高。
（4）、沈陽工業大學
2005年開發成功1MW機組，與7月投入試運行。據稱與特變電工組成風電合資公司，共同開發風力發電機。
（5）、東方汽輪機廠
2004年11月與德國REpower公司簽定1.5MW機組生產許可證合同。正在開發、生產，預計2006年3月出批整機。
（6）、大連重工
2004年底與德國Fuhrlander公司簽定1.5MW機組生產許可證合同。正在開發、生產。
（7）、保定惠陽航空螺旋槳制造廠惠德風電工程公司
2004年底與德國Fuhrlander公司簽定1.0MW機組生產許可證合同組建合資公司。1MW機組已于日前投入試運行。
（8）、運載火箭研究院萬源工業公司
北京航天萬源安迅能新能源有限公司
南通航天萬源安迅能風電設備制造公司
2005年6月與西班牙EHN簽定合資合同。
（9）、上海電氣電站集團
重組原上海申新風電設備有限公司。
2005年與德國DEWIND公司簽定1.25MW機組生產許可證合同。正在開發、生產。
另外，已與德國Aerodyn公司簽約，自主開發2兆瓦風力發電機組。
（10）、哈爾濱哈飛威達風電設備有限公司
由哈爾濱飛機工業（集團）有限責任公司和芬蘭WinWind Oy 共同出資，于2005年3月注冊成立。
主導產品為1MW和3MW變槳變速并網型風力發電組。其中，1MW機組已投入試運行。
（11）、重慶船舶工業公司
已于1月17日同德國Aerodyn公司簽約，開發具有自主知識產權并適合國情的2兆瓦風力發電機組，批樣機將于2007年上半年在風場試運行。
（12）、其他
其他如哈爾濱、三門峽、南通等地皆有引進技術、合資風能整機公司的組建。
3.3 國外風電設備商在國內的動態
VESTAS公司自并購其主要競爭對手NEG-Micon后，其在市場份額已高達55%。目前，VESTAS工廠已經取得營業執照。在天津經濟技術開發區設立風電葉片生產廠，VESTAS預期在2006年上半年產出批產品，即長度為39米的V80型2MW風機葉片。工廠全部達產后年產量將達到約600只風電葉片。該項目總投資為2500萬歐元（3000萬美元）。新訊息表明該工廠建設已經完成，片葉片也已下線。VESTAS并進一步在天津設立發電機工廠。
西班牙GAMESA公司已準備在天津設立總裝廠。目前，暫無設立葉片工廠之相關信息。在國內主力機型為G52/850kW機型。其技術源自VESTAS。
GE收購原安然旗下風能公司后，其在市場占有率一路攀升，2003年一度占據第二位置。GE風能已在上海設立風能研發中心：整機和葉片。GE能源（沈陽）公司。
西門子（SIMENS）收購原丹麥BONUS風能公司后，一直還未有大的動作。已明確宣稱近期不會關注風能市場。
排位第六（2004年）亞洲大的印度SUZLON公司也將工廠（總裝廠、控制柜廠，據了解其投資金額為6000萬美元）設于天津，暫無在國內設立葉片工廠之計劃。在印度國內，其小功率葉片購買自LM（印度）公司，大功率葉片自制。
德國ENERCON公司在臺灣有裝機，大單機容量為2MW。
REpower公司已與東方汽輪機廠展開合作，于2004年11月簽定生產許可證合同。
德國第四大風能設備供應商NORDEX公司在市場大有卷土重來之勢：寧夏合資公司的設立；西安維德在國內市場份額節節攀升；與保定惠騰合作生產葉片等等。
4. 國內風電產業發展規劃
發展和改革委員會規劃的風電發展目標是：2005年累計裝機容量達到100萬kW（實際數據為126.6萬kW，已超過），2010年400萬kW（據悉已更新為500萬kW），2015年1000萬kW，2020年達到2000萬kW(有消息稱此一數據已改為3000萬kW)，這表明國內的風電產業將有一個快速的增長階段。
為了促進可再生能源的開發利用，增加能源供應，改善能源結構，保障能源安全，保護環境，實現社會經濟的可持續發展。共和國第十屆代表大會常務委員會第十四次會議于2005年2月28日通過《共和國可再生能源法》，自2006年1月1日起施行，旨在建立利用可持續能源的法律框架。到2020年可再生能源裝機容量將達到120，000MW的發展目標，表明了政府在發展清潔能源方面已有宏偉的計劃。
5．復合材料在風力發電上的應用簡介
5.1 復合材料在風力發電上的應用簡介
復合材料在風力發電上的應用，主要是葉片（blade)、機艙（nacelle、含導流罩spinner）。對于機艙有些機組也不用復合材料。
風力發電裝置關鍵、核心的部分是葉片，葉片的設計和采用的材料決定風力發電裝置的性能和功率，也決定風力發電機組的成本。
風力發電葉片占風力發電整個裝置成本的20%左右，制造葉片的材料工藝對其成本存在決定性。因此，材料的選擇，制備工藝優化對風力發電葉片十分重要。
風力發電葉片用的材料根據葉片長度不同而選用不同的復合材料，目前普遍采用的是玻璃纖維增強聚酯樹脂、玻璃纖維增強環氧樹脂，并局部采用玻纖或碳纖增強環氧樹脂作為主承力結構。
總體而言，對同風輪直徑葉片采用玻璃纖維增強聚酯樹脂作為葉片用復合材料比采用玻璃纖維增強環氧樹脂作為葉片材料時，葉片要重不少。而同型號同材料葉片，因控制方式（失速控制與變槳控制）的不同，重量也不一樣。
下表節選列出了LM不同型號葉片的一些參數
5.2 風電葉片主要制造商
目前風力發電葉片市場基本為三大制造廠所占據，合占葉片市場的85~95%，它們是LM Glasfiber(丹麥)、Vestas Blades(丹麥)及Enercon(德國)。
（1）、LM Glasfiber 丹麥的LM公司是上大的風力發電葉片制造商，占據40%左右的市場。該公司大的特色是集設計、結構、空氣動力、材料、工藝、制造、測試、實驗和生產于一體。自1978年公司已累計銷售了86,000片風力發電葉片，相當于20,818MW風力發電能力。該公司擁有5.0kW~5.0MW全系列葉片產品，控制形式包括葉尖失速控制和葉片變槳控制兩種。
LM公司生產的葉片有GE WIND、SIEMENS（原丹麥BONUS）、SUZLON、REpower、Nordex等風能公司全部或部分采用。
（2）、Vestas Blades 作為風電設備龍頭企業之附屬葉片部門，其制造的葉片配合風機已銷售往50多個或地區，風機數量為26,000余臺，按每臺3葉片計，則共生產有78,000余片。
該公司為個生產變漿控制風電葉片的生產商。
（3）、Enercon 作為風電裝機容量大國――德國國內大的風電設備供應商之附屬葉片部門，其生產的葉片以葉型獨特、轉換效率高而著稱。
5.3 國內風電葉片市場
5.3.1 國內風電發展目標
發展和改革委員會規劃的風電發展目標：
2005年累計裝機容量達到100萬kW（實際統計結果為126.6萬kW）
2010年500萬kW
2020年3000萬kW
5.3.2 數據選取說明
（1）、單機容量選取國內已經安裝并引進技術比較普遍的1.5MW
（2）、選取水平軸三葉片機組
5.3.3 葉片市場容量計算
（1）、2006-2010年
葉片數量：
(500-126.6)萬kW/1.5MW*3 = 7468片
（2）、2011-2020年
葉片數量：
(3000-500)萬kW/1.5MW*3 = 50000片
6 結 語
我國是早利用風能的，相信隨著對可再生能源的重視，發展與改革委員會制定風力發電中長期發展規劃，相關激勵政策的出臺，我國風電業將進入一個嶄新的大規模高速發展階段。
相信我國廣大風電業者早有邁出國門走向的愿望和雄心。
“乘風破浪會有時，直掛云帆濟滄?！?BR> 這既是一則風能利用的生動寫照，又表明了我國風能事業必將逐步壯大。
『參考文獻』
1、《2005年風電場裝機容量統計》 施鵬飛 風能協會/水電工程顧問公司
2、《風力12在》 李俊峰（發改委能源所） 等編著
3、復合材料在風力發電上的應用 趙稼祥 (航天材料及工藝研究所)
4、LM公司資料
5、VESTAS公司資料
