海上风机叶片开发,衔接设计与制造

 

荷兰Pontis Engineering 中国区总经理 Martijn van Breugel出席“上海国际海上风电+风电运维活动”时，就“海上风机叶片开发,衔接设计与制造”发表技术演讲

　　
       中国风电材料设备网： Pontis是2007年创立的。现在团队有25个工程师，这些工程师有很多GE工作背景。Pontis主要是做设计和产品，同时80%是陆上和海上风电，包括运输、海事业务和建筑。Pontis是一个设计型公司，但是除了设计公司以外也是一个提供一站式的服务的公司，Pontis为客户从概念设计一直到认证和到最后的系列生产提供一站式的服务。

　　Pontis拥有海上叶片设计的经验，现在在给4个海上风电做叶片设计，两个是欧洲的风场，两个是中国的风场，叶片的长度是68到85米左右。Pontis没有更多的客户经验跟大家分享，但是Pontis在全世界招纳人才，同时Pontis是广有人脉的。在航空这个领域也有很多叶片，但是Pontis可以保证，如果客户叶片能够满足空客的要求的话，在风能机这一块是肯定能满足要求的。

　　Pontis也经常参与到项目的管理当中，一旦做项目的话，会和客户公司的合作商一起合作，确保达成时间的结点。同时Pontis现在是一个第三方的公司，也和原材料的供应商有合作。Pontis总部是荷兰阿姆斯特丹，同时在2010年的时候在美国设立了办事处，在北京2008年成立办公室。Pontis的大多数项目都是在总部，在美国也有一些项目，另外在中国也有超过10个项目在建。之后会向东海岸推荐，包括连云港、大连等等。Pontis知道未来趋势是怎么样的，希望把整个供应商做到海上风能机叶片的提供，很一些项目并没有通过审批，但是很快可以开工建设。

　　首先谈设计叶片。Pontis看到一个新的趋势，中国的公司或者说全世界的工作都是一样的，首先要说到整个设计，之后做一系列开发。Pontis提供的首先是设计，但是中国的合作商喜欢自己做设计，Pontis可以帮助这些客户更好的做一些设计的优化，有些客户要需要做认证，Pontis可以帮助准备做认证。Pontis做供应的开发，同时做供应的优化。第三个是做样机的设计，第一台样机是客户制作的，Pontis会选择风机最终坐落的位置，把设计当中的一个结，最终转换成为生产过程当中的食物，最后能够去达到量产，慢慢的Pontis会解除或者结束这样的合作关系。一年的周期之后一般来说可以完成这个项目，也就是说一年的时间可以帮助客户完成从设计到生产所有的工作。

　　海上风电叶片的挑战。从Pontis的观点有几个重大的挑战，首先是风机的负荷，叶片大概有40吨左右，通常来说是10到12吨，现在尺寸增加了4到5倍的重量。当然可以使用更多的材料，平均的载荷增加了。第二个挑战是运输和安装，在新船只上有的时候铁轨需要专门设计，有时候必须设计新的安装船。通常来说Pontis建议海上风电叶片在岸上安装，安装好然后再运到海上。海上运用状况，Pontis一直处理应对台风、强风高风速的台风，必须在结构上做更大的改进，有更高的平均的风速会增加疲劳载荷，有的时候会有延误和冰，这个也是重大的挑战。这个在海上的业务里面实际上是一个新挑战。

　　设计和生产之间的矛盾，作为一个制造公司，想快速的降低成本，想达到质量没有退后、没有反工、没有故障。设计方面要求一些其他的因素，主要是集中在一些新载荷、小阻力和更光滑的表面，这两种要求并不一定能够匹配。有的时候设计师看看这个设计的过程，一些设计的很好的叶片在纸上面是效率是很高实际上是制造不出来的。

很重要的一点是这个设计团队要理解设计对制造的影响和可制造性。整个流程、整个工艺，应该由设计去驱动。或者由一个工艺决定。整个叶片的质量通常由劳动力的素质决定，车间里的工程师，叶片的业务。Pontis使用造船的技术来实现航空的质量，所以说很多的工艺可以看到流程，目前的工艺并不是非常强有力，非常取决于工程素质。

　　给大家举一些例子，面对海上风电叶片一些挑战，首先是黏合剂的应用和涂装，黏合剂岸上的使用是300到400公斤，而在海上风电叶片可能需要1吨，固化的时间是没变的，总使用量大增。这意味着已经生产很多的岸上的叶片，但是海上风电叶片需要黏合剂的量大概要3到4倍，所以说生产的过程很紧张。

　　看到一个海上的叶片比屋顶更高，后援单向部必须有很高的位置，这种玻璃纤维的复层以前是1米的高度，现在是2.5到3米高度。这个对于岸上的叶片已经很难涂装了，在海上的叶片就很难。所以必须在设计的时候考虑所有的因素，这个是预制预成型。

参数的要求是一个有趣的议题。对注塑Pontis有一些标准，DIN16901：1米的长度误差是1毫米，如果有个叶片是85米长，长度的误差要求是一样的。对于40米的叶片，这个标准率少于1毫米。对于大于80米的叶片这个参数也没变多少，仍然是1毫米，这一要求很难达到。必须和设计公司和认证机关一起来研究这个问题，Pontis可以做到这点。但是要满足这些目标实际是很难很昂贵的。

　　其他问题，Pontis的挑战是材料的改变，4个海上的项目是使用碳纤维。这个并不一定是完全需要，但是73米的叶片仍然是使用玻纤，不一定使用碳纤。但是现在开发必须使用的是碳纤，这个不只意味着一个新材料，而且是一个新工艺。目前预制要求是完全一种新的制造角度和思路。另外质量控制现在变成一个大问题，因为使用新的材料和碳纤维不像玻璃纤维那么好使用。这是可以做，但是必须理解这种材料。对这个来说，Pontis建议客户使用的使用无损探伤，无损探伤在整个市场上在欧洲也是一个新的概念，也建议客户学习这个无损探伤。这个是一个很昂贵的工具，但是可以保证叶片的质量是20年，在目前为止现在没有叶片的制造商可以保证这一点。如果需要有担保，有保修的，要进行保险。叶片制造商使用NDEG无损探伤是很好的保险公司可以参照的点。中国风力发动机制造商可能对叶片无损探伤感兴趣。

　　简短的概述，关于中国海上风电的市场。2015年原来的目标是5GW，现在实现了500兆瓦左右，10%左右。这是一个风险很高的市场，有不同理由为什么这个目标没有实现。但是到最后可能没有实现这个目标，因为这个当中有很大风险。延误的原因是补贴没有到位，这个补贴上个月有一个好消息，政府发布了新的补贴电价，这个对海上市场是一个推动力的。其他的一些是关于风场选址和国家安全、渔业、运输等等问题正在解决中。

　　有一些新的补贴政策，国家能源局发布了八毛五的补贴电价，这是全球最低的补贴，但是仍然是好消息。一些省级政府宣布会给一些补贴，在国家政策以外，上海会也给0.2元/度，上海临港有一个100兆瓦的项目，是在政府发布了这些规则以后。还有其些省份也会提出一些类似，在0.85元的补贴电价上面，这是一个低位的补贴，但是省级政府会发布新的补贴政策。质量是非常重要的。如果政府要是开发商按照这些补贴来工作的话，开发商必须得减少成本。

在欧洲和美国，Pontis在过去15到20年犯了很多错误，分享一些从教训中学的一些东西。对未来规划有一些更开放讨论也许对中国公司有一些帮助。

　　降低成本而不影响质量，对这个问题来说，有一些想法可以降低成本，直接或者间接的可以通过缩短制造周期，可以更换材料，一些分结构材料可以更换，可以使用经济生产。从材料到工艺可以使用研究没使用的材料，可以减少维修的时间，或者是叶片里面的违规的一些现象，不合格的一些现象。更短的制造时间意味着单位里面的叶片产出，可以减少维修成本，因为维修要很高的成本。

　　Pontis有一些软件可以帮助模拟。在复合材料按里面的树脂的流动，使用一些特殊的材料。根据Pontis自己的经验，可以预测这个物料是怎么样流入材料里面，优化和降低生产中的故障和失误。Pontis在复合材料里面有25年经验，知道怎么样处理这些复杂的情况。Pontis进行一些自己实验室进行工艺测试，确保提供的建议是大规模按照正确的方向执行的。另外Pontis还有一些预制料的专利。

　　关于预制，Pontis公司使用了75米长的6千瓦的海上风电设计。Pontis使用一些融合的，注入的一些工艺，预制的工艺，可以降低制造的周期，可以至少50%。在这个昂贵的主模具上面，可以铺上一层一层的玻璃纤维，可以使用重力让材料自己渗入进去。这个以后可以用在你的叶片上面，可以大大介绍里的生产周期削减50%以上。同时也能够提高整个产品的质量，这是非常重要的一点。

　　当然在这边也有一些其他降低成本的相关方法，比如说可以使用一些填充物，包括可以在这边是比较有风险的做法。做75米叶片可以改变填充物，包括环氧材料改成聚酯。如果用聚酯的话，这时候可以做到更好的抗疲劳度的情况。同时，也可以很好的将原始的成本降低35%左右。也用更新的材料，比如说高强玻纤的，同时也可以用一些模块化的轴箱的一些部件。

　　首先讨论一下模块化的设计，这些模块在中国有非常好的例子，同时在中国政府他也在刺激这些材料生产商能够有这样的生产工艺来要求自己。基本上中国的风速是比较低的，所以这样是的材料也非常好用。另外，可以在这样一个叶片的尖上面可以加一些东西上去。Pontis在美国、欧洲都做过测试，可以降低整个重量，这个对运输来说非常好的。

　　随着时间的推移，还需要考虑一点，就是整个叶片的成本可能会增加，因为总的材料成本会增加，但是其实总成本是降低的。因为整个齿轮箱，包括轴承整个大小都会因为重量下降而下降。所以总的来说下降因此需要做一个全盘性的考虑。在以后不要简简单单来考虑叶片本身成本是不是下降，而是要看所有的成本。

　　最后，在某些地方不会降低质量反而会加强质量。当然海上风电这个市场是非常高风险的市场，这个行业内的企业都必须能够降低成本，但是一定要保证质量。一般来说计划寿命是20年，如果是这20年就有任何问题的话，这肯定是最不想要的事情。