風力發電是一個快速增長的能源領域,截至2018年底運營容量近600千兆瓦,提供了全球電力需求的 5% 左右。與太陽能、生物質能和水力發電一樣,風力發電也是替代化石燃料的可再生能源之一。
目前,公用事業規模的風力發電機總輸出功率已超過5兆瓦(MW)。按每兆瓦材料用量計算,風力發電是所有發電方式中鋼鐵密集程度最高的。按現有設計方案計算,每兆瓦裝機容量大約要用300噸鋼材。表1列出了風力發電系統的一些主要部件、典型結構材料及其用途。表中很多部件采用了含鎳材料。
韌性好,強度更高
高強度等溫淬火球墨鑄鐵(ADI)是一種鑄鐵材料,其中的碳以石墨球的形態存在于奧鐵體基體中――奧鐵體是鐵素體與奧氏體的混合物,保證了ADI 的高強度和延展性。如表2所示,添加鎳、鉬和銅元素可延緩珠光體的形成,促使奧鐵體形成,提高淬硬性。ADI 的抗張強度和抗屈服強度是標準延性鐵的兩倍,疲勞強度提高了50%。因此,與標準延性鑄鐵相比,用 ADI 制作輪轂、中空軸和齒輪箱殼體等較大鑄件,可以大幅減輕重量。
高性能齒輪鋼
風力發電機的齒輪要求長疲勞壽命和高韌性。硬質表面和韌性內芯構成的耐磨損齒輪,能承受高級別沖擊負荷。表 2 所示的高性能鎳鉻鉬滲碳鋼具有深度淬硬能力和很強的耐疲勞性。目前,18CrNiMo7-6 鋼是用于風車齒輪箱的標配齒輪鋼。
風力發電還涉及到其他設備,例如安裝風力發電機所需的大型移動式起重機。由于吊裝高度和重量的要求,起重機吊臂需要由超高強度鋼制成。適用的鋼號介于 S690--S960之間,如表2所示。起重機吊臂通常由淬火和回火鋼板制成,含鎳量最高可達 2%。
距離海岸越遠,風力越強勁、持續性越好。這些地方的海水深度普遍超過60米(200英尺),因此無法安裝固定基座的風力發電機。風力發電行業正在測試漂浮式風力發電機,例如,Hywind Scotland 風電場共有五臺漂浮式風力發電機,總容量為30 兆瓦。風力發電行業甚至在考慮建造輸出功率超過10兆瓦的風力發電機。