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【擴大鋁應用】鋁在風力發電設施中大顯身手

2021-06-07 08:47:53 來源: 中國有色金屬報

  盡管2019年中國減少了對新能源產業的補貼,但2020年,中國新增風電裝機容量仍達到52GW(吉瓦,1G=109即10億),使目前我國的風電裝機容量超過歐洲、非洲、中東、拉丁美洲的總和,穩穩地坐在了風能大國的頭把交椅上。

  2020年,東亞地區風電裝機容量佔全球的五分之三,而我國的裝機容量約佔東亞地區的94%,也就是說,我國的風能裝機容量佔全球的56.4%。據全球風能理事會數據,2021年到2025年,中國每年需要新增50GW以上的風電裝機容量;從2026年起,需要新增超過60GW/a的風電裝機容量,才能在2060年前實現碳中和。

  建設風電場首先要建風機、發電係統、換流站、輸送線路等,在這些工程與結構和設施中,鋁材都可以大顯身手,如槳葉、塔架和連接座可以用鋁合金制造,發電係統和換流站內的許多零部件、箱櫃和支架等也可用鋁材制造,電線電纜除一部分用銅線的,其餘均可使用鋁線。

  目前中國有多個海上風力發電場,如珠海金灣海上風電場,於2021年5月上旬實現全場並網發電,該電場是粵港澳大灣區大的海上風電場,裝機容量達30萬kW,地提高了大灣區的綠色能源比例;隨著射陽龍源H2海上風電項目於2021年4月正式並網發電,江蘇鹽城市新能源裝機容量達到1004.76萬kW。鹽城風能資源,沿海風電可開發總量佔江蘇省可開發風電總量的2/3以上,截至2020年,鹽城海上風電並網規模達352萬KW。

  為實現海上風電的有效並網,在現有兩條北電南送輸電通道的基礎上,江蘇正在南通、鹽城等沿海城市推進500kV沿海輸電通道建設,以地滿足海上風電大規模連片開發和向中遠海域拓展的需求。此外,江蘇省在開發風電的同時,正在向灘涂綜合開發利用邁進,如東臺市已建成了一個相當大的中國灘涂綜合開發區,集風力發電、光伏發電、水面養殖為一體的“風光漁”互補產業基地,實現了灘涂資源的利用與生態開發。

  除了海上風電,還有張北(張家口市以北)草原上的風電,或是山坡上的風電,其旋轉槳葉、立柱和其它結構的許多零部件,以及臺架與箱櫃等都可以用鋁材制造,但槳葉與立柱是其大的結構件,筆者匡算,如果按用材量計算,鋁材可佔其用材比例的65%。而在風力發電裝備中,槳葉是大也是重要的工件,它的長度可達五六米或十幾米,鋁合金優點很多,是制造風力發電機特別是制造海上發電機的材料。如果設計者認為鋁合金的強度還不夠,也可以用碳纖維增強的鋁基復合材料(鋁含量>90%)制造,直升機等的旋翼槳葉都是用這兩種材料制備的。其中,中國南昌飛機制造集團公司掌握了槳葉的設計與制造技術,可以批量制備8米∼14米的鋁基復合材料槳葉。制造槳葉的工藝有:擠壓法、鍛壓法和機械加工法。

  風機的立柱高度有高有低,一般為30米∼100米,是用變徑管材一節一節焊接的,50米以下的管也可以是通長擠壓的,可根據管的直徑大小採用不同擠壓力的擠壓機生產,中國有擠壓力45MN∼160MN的大擠壓機約180臺,遍布全國各地,還有2臺225MN超大擠壓機,可生產工業上用的所有型材與管材。

  還有一個大零件是連接槳葉、立柱、旋轉桿的底座,它是結構復雜且受力大的工件,宜用鍛造機械加工工藝制造,可用2XXX係鍛造鋁合金制備。風力發電站的立柱與槳葉可用6XXX係鋁合金;其它裝備零部件與線纜可用常規的鋁合金制造,但海上風電設備好採用抗海洋氣候腐蝕的鋁合金材料。

  美國的海上風電發展迅速,正在全力追趕中國。2020年,美國只有兩個海上風電場,分別位於羅得島和弗吉尼亞州海岸附近,處於運轉狀態的風力渦輪機不足10臺,但拜登政府有著雄心勃勃的發展規劃,計劃到2030年,海上風電裝機容量達到30GW,並擬在馬薩諸塞州海岸附近建一個耗資28億美元,名為“葡萄園之風”的海上風電項目。這可能是上大的風電項目。

  歐洲的海上風電業務也在蓬勃發展,德國、丹麥和英國在海岸附近部署了數十臺巨型風力渦輪機。筆者測算,在清潔新能源產業中,風力發電每kW裝機容量的用鋁量是多的,其次是太陽能,但太陽能電池框與支架用的鋁材都是較小的擠壓材,而風力渦輪機用的是大的、結構復雜的鋁型材,生產技術較高,難度也大一些。風電場的用鋁潛力不可小覷,鋁加工廠宜向渦輪機制造廠提供可組裝的鋁合金零部件,如認為必要或可能的話,也可建設化槳葉與立柱生產線或制造廠。(王祝堂)

(責任編輯:靜水)