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铝在风力发电设施中大显身手

发布时间:2021-06-08 9:25:39
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尽管2019年中国减少了对新能源产业的补贴,但2020年,中国新增风电装机容量仍达到52GW(吉瓦,1G=109即10亿),使目前我国的风电装机容量超过欧洲、非洲、中东、拉丁美洲的总和,稳稳地坐在了风能大国的头把交椅上。

风力发电

(风力发电)

  2020年,东亚地区风电装机容量占全球的五分之三,而我国的装机容量约占东亚地区的94%,也就是说,我国的风能装机容量占全球的56.4%。据全球风能理事会数据,2021年到2025年,中国每年需要新增50GW以上的风电装机容量;从2026年起,需要新增超过60GW/a的风电装机容量,才能在2060年前实现碳中和。

建设风电场首先要建风机、发电系统、换流站、输送线路等,在这些工程与结构和设施中,铝材都可以大显身手,如桨叶、塔架和连接座可以用铝合金制造,发电系统和换流站内的许多零部件、箱柜和支架等也可用铝材制造,电线电缆除一部分用铜线的,其余均可使用铝线。

目前中国有多个海上风力发电场,如珠海金湾海上风电场,于2021年5月上旬实现全场并网发电,该电场是粤港澳大湾区大的海上风电场,装机容量达30万kW,地提高了大湾区的绿色能源比例;随着射阳龙源H2海上风电项目于2021年4月正式并网发电,江苏盐城市新能源装机容量达到1004.76万kW。盐城风能资源,沿海风电可开发总量占江苏省可开发风电总量的2/3以上,截至2020年,盐城海上风电并网规模达352万KW。

为实现海上风电的有效并网,在现有两条北电南送输电通道的基础上,江苏正在南通、盐城等沿海城市推进500kV沿海输电通道建设,以地满足海上风电大规模连片开发和向中远海域拓展的需求。此外,江苏省在开发风电的同时,正在向滩涂综合开发利用迈进,如东台市已建成了一个相当大的中国滩涂综合开发区,集风力发电、光伏发电、水面养殖为一体的“风光渔”互补产业基地,实现了滩涂资源的利用与生态开发。

除了海上风电,还有张北(张家口市以北)草原上的风电,或是山坡上的风电,其旋转桨叶、立柱和其它结构的许多零部件,以及台架与箱柜等都可以用铝材制造,但桨叶与立柱是其大的结构件,笔者匡算,如果按用材量计算,铝材可占其用材比例的65%。而在风力发电装备中,桨叶是大也是重要的工件,它的长度可达五六米或十几米,铝合金优点很多,是制造风力发电机特别是制造海上发电机的材料。如果设计者认为铝合金的强度还不够,也可以用碳纤维增强的铝基复合材料(铝含量>90%)制造,直升机等的旋翼桨叶都是用这两种材料制备的。其中,中国南昌飞机制造集团公司掌握了桨叶的设计与制造技术,可以批量制备8米~14米的铝基复合材料桨叶。制造桨叶的工艺有:挤压法、锻压法和机械加工法。

风机的立柱高度有高有低,一般为30米~100米,是用变径管材一节一节焊接的,50米以下的管也可以是通长挤压的,可根据管的直径大小采用不同挤压力的挤压机生产,中国有挤压力45MN~160MN的大挤压机约180台,遍布全国各地,还有2台225MN超大挤压机,可生产工业上用的所有型材与管材。

还有一个大零件是连接桨叶、立柱、旋转杆的底座,它是结构复杂且受力大的工件,宜用锻造机械加工工艺制造,可用2XXX系锻造铝合金制备。风力发电站的立柱与桨叶可用6XXX系铝合金;其它装备零部件与线缆可用常规的铝合金制造,但海上风电设备好采用抗海洋气候腐蚀的铝合金材料。

美国的海上风电发展迅速,正在全力追赶中国。2020年,美国只有两个海上风电场,分别位于罗得岛和弗吉尼亚州海岸附近,处于运转状态的风力涡轮机不足10台,但拜登政府有着雄心勃勃的发展规划,计划到2030年,海上风电装机容量达到30GW,并拟在马萨诸塞州海岸附近建一个耗资28亿美元,名为“葡萄园之风”的海上风电项目。这可能是上大的风电项目。

欧洲的海上风电业务也在蓬勃发展,德国、丹麦和英国在海岸附近部署了数十台巨型风力涡轮机。笔者测算,在清洁新能源产业中,风力发电每kW装机容量的用铝量是多的,其次是太阳能,但太阳能电池框与支架用的铝材都是较小的挤压材,而风力涡轮机用的是大的、结构复杂的铝型材,生产技术较高,难度也大一些。风电场的用铝潜力不可小觑,铝加工厂宜向涡轮机制造厂提供可组装的铝合金零部件,如认为必要或可能的话,也可建设化桨叶与立柱生产线或制造厂。

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