钢铁新技术新材料对风电发展的影响

钢铁新技术新材料对风电发展的影响

代长赵

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湖南湘潭411100

摘要：由于传统发电行业及石化能源产业碳排放居高不下，人类居住的地球环境日趋恶化，为减少二氧化碳的排放，各国对绿色清洁能源的需求空前高涨，风电、水电、太阳能发电等快速发展。风电在我国起步相对较晚，但风能资源储量丰富，是最具开发潜力的新型绿色能源，因此风能利用近几年在我国得到快速发展。风电快速发展不断对钢铁材料提出一些新的要求，促进钢铁新材料、新工艺快速发展，而钢铁新材料、新工艺的发展也对风电发展产生了重要的影响。

关键词：钢铁新技术；钢铁新材料；风电

引言

世界百年之大变局的主导因素之一是正在面临的能源革命，从有碳能源向无碳能源的转变。风电有助于降低化石燃料的使用量以及碳排放。而向可再生能源转变需要使用大量的钢铁。所用钢材必须满足以下要求：具有特定的弹性和韧性，以及为确保经济制造具有良好的可焊性。这就是为什么热机械轧制厚板是首选。认清上述变化的本质、理清基础逻辑，才能准确判断钢铁产业的未来发展轨迹，实现创新发展。

1全球风电市场的发展格局

随着能源结构转型和绿色电力的发展，中国、欧洲和美国等主力风电市场正酝酿新一轮增长动能，东南亚、拉丁美洲等新兴市场也展现出需求的爆发性增长。全球风电市场正迈入持续成长的平价道路。根据全球风能理事会GWEC预测，未来5年全球风电新增装机总量将超550GW，年均新增超110GW，2022—2026年的年均复合增长率（GAGR）有望达到6.6%。根据《“十四五”可再生能源发展规划》，我国到2025年可再生能源年发电量预计可达3.3万亿kW·h左右，风电和太阳能发电量较2020年实现翻倍，5年年均复合增速达到15%，海上风电行业也将迎来大规模快速发展。风电机组大型化发展是降低度电成本最有效的途径，更大的风轮和更高的轮毂高度能使机组在风速较低的地区捕获更低的风能，在机组功率提升的同时大幅增加年有效利用小时数。随着平价大基地项目、分散式风电项目的需求增加，对机组的风资源利用率要求提高，陆上风机已经逐步由2～3MW时代迈入4～7MW时代，海上风电领域大兆瓦机型发展更加迅速。

2中国的风机退役

与风电产业的发展相比，风电机组的退役工作受重视不足。中国风电的大规模发展已经进入第30个年头，老一代的风机已经站在了退役的舞台上。风电场的设计运行寿命和风电机组的设计寿命一般为20年。按20年寿命计算，2030年至2041年我国每年风电退役规模基本等于图1中的年新增装机容量，共有303．30GW的风电机组需要退役。根据《风能北京宣言》，2022－2025年中国风电年装机容量将超过50GW，2026－2060年将超过60GW。2030年中国风电装机容量将达到831GW，2040年达到1431GW。中国社会科学院在《中国的能源转型》一书中也做了预测，显示中国的风电装机容量将在2030年达到445GW，2040年达到881GW。然而，根据此书数据，2020－2030年的风电增幅仅为163GW，低于2010－2020年中国的风电增幅，也低于2012年出版的《中国风电展望》中的增幅预测。由于新型电力系统对可再生能源装机容量提出了更高的要求，我们在本研究中采用《风能北京宣言》中的数据进行风电装机容量预测。风机退役能否得到合理处理，决定了在以可再生能源为主体的新型电力系统中，能否进一步降低风电全生命周期的负面环境影响。回收风力涡轮机叶片一直是一个世界性的问题。在包括中国在内的许多国家，废旧的转子叶片仍然被填埋处理，这将占用土地，并由于不可降解的玻璃纤维而造成土壤污染。目前各国都在探索更优的退役风机叶片处理方案，然而目前技术条件下的风机叶片回收是一个能源密集型过程，且能产出高价值产物的化学回收法反应条件要求苛刻，需要高成本的反应设备，限制了叶片材料回收的应用和推广。

3钢铁新技术新材料对风电发展的影响

3.1改进型低合金钢用于风电变速箱齿圈

风电大齿圈是风电变速箱中的核心关键部件，且风电变速箱是整个风力发电系统的核心，伴随着风电主机功率逐渐增大，零部件也逐渐变大，因此风电轻量化变得越来越重要。风电轻量化旨在以不牺牲各种力学性能和安全性能的前提下尽量减轻风机机头重量，同时达到优化风机的动力性能，实现节能减排的目的。高端产品一直都是使用CrMoV、CrNiMo等高合金钢制作风电变速箱大齿圈，为了降低成本，用特殊性能的42CrMo替代CrMoV、CrNiMo制作风电变速箱大齿圈，但是普通的42CrMo调质处理后在芯部的晶粒度、力学性能方面均无法达到其要求。风电用产品服役环境恶劣且要求使用寿命在20年以上，开发难度比较大。钢厂研发大断面环件的高淬透性、全截面性能均匀的风电变速箱用大齿圈，通过对不同Mo、Ni、Cr及微合金含量的42CrMo在环件不同位置力学、冲击性能进行研究，得到了大断面的深层淬透性第一手数据，成功开发了新材料42CrMo4D、42CrMo4L等钢种替代现有高合金材料制造风电变速箱大齿圈。

3.2转子叶片复合材料的回收

作为传统材料，金属、电缆、电线的回收技术已经非常成熟。近年来，废旧永磁体的回收技术在中国不断取得突破并实现产业化。然而，转子叶片的回收仍然是困难的。从杉木到木材，再到后来的金属皮和铝合金，再到今天以玻璃纤维和碳纤维为代表的复合材料，转子叶片材料随着风力发电机组规模的扩大而不断发展。现在的叶片材料主要是热固性复合材料，其中大部分是玻璃纤维增强的不饱和聚酯树脂，还有一小部分是碳纤维增强塑料。由于碳纤维可以使叶片的重量减少，而当叶片尺寸增加时有更高的刚度，所以它被认为是目前主流玻璃纤维的一个重要替代品。然而，玻璃纤维和碳纤维复合材料都很难回收，而且成本很高。目前，热固性复合材料的回收方法主要分为能量回收、物理回收和化学回收。

3.3超低温材料

风电法兰是风电塔筒的连接件，除了要具备普通风塔法兰用钢的低合金、高强度等基本要求外，还要考虑-50℃以下超低温环境下的抗拉、屈服、冲击等特性，尤其是-50℃以下的低温冲击韧性是重点和难点。如何将钢的脆性转变温度降到50℃以下，且冲击功提高至47J以上，一直是钢铁科研人员长期攻关的课题。为此，科学合理的化学成分组成及细小晶粒的组织结构成为攻关的目标。要有细密的组织结构，就必须尽量细化晶粒，采用多种合金元素复合微合金化。微合金化所形成的化合物能阻止形变奥氏体动态再结晶的发生及奥氏体再结晶晶粒长大，起到细晶强化作用，同时提高钢的强度和韧性。

结束语

伴随着风电行业的快速发展和市场竞争越来越激烈，对风电装备的质量提升及成本控制要求越来越严格，对钢铁材料不断提出新的要求，必将促进钢铁材料生产厂家不断采用新工艺和新技术，研发出质量更高的新材料，以满足风电市场需求。

参考文献

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