風(fēng)電葉片技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展
http://www.frponline.com.cn 2010-10-11 中材科技 陳淳
[收藏該文章] LM公司研發(fā)部經(jīng)理Frank V．Nielsen認(rèn)為未來葉片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵已從效率最大化轉(zhuǎn)移到能量成本(COE)最優(yōu)化，葉片將會(huì)更加細(xì)長(zhǎng)，這種設(shè)計(jì)技術(shù)將會(huì)降低葉片載荷，葉片質(zhì)量分布更加優(yōu)化。
一、葉片朝大型化、輕量化、高效率方向發(fā)展
二、可選擇的復(fù)合材料原材料品種多樣
1、葉片用樹脂基體
1）不飽和聚酯樹脂工藝性良好，價(jià)格低，在中小型葉片的生產(chǎn)中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但固化時(shí)收縮率大，放熱劇烈，成型時(shí)有一定的氣味和毒性。
2）環(huán)氧樹脂具有良好的力學(xué)性能，耐化學(xué)腐蝕性能和尺寸穩(wěn)定性，是目前大型
風(fēng)電葉片的首選樹脂，缺點(diǎn)是成本較高。
3）乙烯基樹脂性能介于二者之間，目前在大型葉片中應(yīng)用較少，隨著各廠家對(duì)成本的要求越來越高，乙烯基樹脂可能會(huì)進(jìn)入兆瓦級(jí)葉片的選材。
2、葉片用增強(qiáng)材料
3、碳纖維材料在大型葉片中具有較好的應(yīng)用前景
采用碳纖維，可增加葉片臨界長(zhǎng)度，提高葉片剛度，減輕葉片重量。研究也表明，添加碳纖維所制得的風(fēng)機(jī)葉片質(zhì)量比玻璃纖維的輕約30％，以目前的成本估算，成本增加可控制在30％以內(nèi)。
4、碳纖維在葉片中應(yīng)用的主要部位
碳纖維在
風(fēng)電葉片中應(yīng)用實(shí)例
公司
產(chǎn)品
技術(shù)狀態(tài)
Gamesa
GAMESA在其直徑為87米、90米葉輪的葉片制造中包含了碳纖維。
LM
61.5米葉片
采用了玻纖／碳纖維混雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，在橫梁和翼緣等要求較高的部位使用碳纖維作為增強(qiáng)材料，單片葉片質(zhì)量達(dá)17.7 t。
Vestas
VESTAS V-90型風(fēng)力機(jī)3.0MW
葉片長(zhǎng)44m，其樣品試驗(yàn)采用了碳纖維制造。
Vestas為V903.OMW機(jī)型配套的44m系列葉片主梁上使用了碳纖維，葉片自重只有6t，與V802MW,39m葉片自重一樣。
GE
7MW
GE公司的7MW機(jī)組研發(fā)，將使用碳纖維
NEG Micon
40m葉片
40米的葉片中采用了碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂
Nordex Rotor
44m葉片
56m葉片
44 m長(zhǎng)CFRP葉片質(zhì)量為9.6t, 可用于2．5 MW的風(fēng)電機(jī)組。此外，還開發(fā)了56 m長(zhǎng)的CFRP葉片，他們認(rèn)為葉片超過一定尺寸后，碳纖維葉片的制作成本并不比玻纖的高。
Repower
5MW葉片
轉(zhuǎn)輪直徑126米，該葉片由碳纖和玻纖混雜而成，單個(gè)葉片重量達(dá)18噸，可用于海上及陸地使用。
NEG Micon
40米葉片
碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的40米葉片
kirkldand
和TPI Composites公司合作，發(fā)展碳纖維風(fēng)機(jī)葉片，以求得最大的能量獲得，同時(shí)減輕風(fēng)機(jī)的負(fù)載。制造和測(cè)試證明了先進(jìn)碳纖維混編設(shè)計(jì)葉片的商業(yè)化可行性。
5、葉片材料的新發(fā)展——熱塑性復(fù)合材料應(yīng)用
*與環(huán)氧／玻纖復(fù)合材料大型葉片相比較，若采用熱塑性復(fù)合材料葉片，每臺(tái)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)所用的葉片重量可降低10％，抗沖擊性能大幅度提高，制造成本至少降低1／4，制造周期至少降低1／3，且可完全回收和再利用。
*愛爾蘭Gaoth風(fēng)能公司與日木三菱重工及美國(guó)Cyclics公司正在探討如何共同研制低成本熱塑性復(fù)合材料葉片。
*LM G1asfibre公司正開展此項(xiàng)研究，目的是用玻璃鋼、碳纖維和熱塑材料的混合紗絲制造葉片，這可能會(huì)使葉片的生產(chǎn)時(shí)間縮短50％。
*安全快捷地制造“綠色”的復(fù)合材料葉片正期待著復(fù)合材料葉片制造商去實(shí)現(xiàn)。
三、葉片設(shè)計(jì)技術(shù)不斷進(jìn)步
葉片設(shè)計(jì)分為氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩大階段，通常這兩階段不是獨(dú)立的，而是一個(gè)迭代的過程。風(fēng)輪葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)要滿足的目標(biāo): 年輸出功率最大化；最大功率限制輸出；振動(dòng)最小化和避免出現(xiàn)共振；材料消耗最小化；葉片結(jié)構(gòu)滿足適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度要求和剛度要求；保證葉片結(jié)構(gòu)局部和整體穩(wěn)定性。
1、翼型是葉片設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)
國(guó)內(nèi)缺乏相關(guān)的數(shù)據(jù)庫，國(guó)外典型翼型和優(yōu)勢(shì)如下：
1）美國(guó)Seri和NREL系列， Seri系列對(duì)翼型表面粗糙度敏感性低。
2）丹麥RISO—A系列，在接近失速時(shí)具有良好的失速性能且對(duì)前緣粗糙度敏感性低；
3）瑞典FFA．W系列，該系列具有良好的后失速性能。丹麥LM公司已在大型風(fēng)機(jī)葉片上采用瑞典FFA．且該翼型將會(huì)在風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用。
4）荷蘭DU系列和其它。
目前所能利用的典型風(fēng)力機(jī)翼型特性
位置
翼型
厚度
最大
升力
最大
升阻比
設(shè)計(jì)升力系數(shù)
設(shè)計(jì)
攻角
葉尖
---
葉中
NACA64415
0.15
1.55
〉100
1.0
6
NACA64418
0.18
1.4
〉100
1.0
6
NREL S825
0.17
1.6
〉100
1.0
6
RISOE-B1-18
0.18
1.6
〉100
1.0
6
DU96-W-180
0.18
1.26
〉100
1.0
6
葉中
NACA63421
0.21
1.35
〉100
1.0
6
NRELS809
0.21
1.05
〉100
0.8
6
NREL S827
0.21
1.23
〉100
0.8
6
葉根
NREL S814
0.24
1.4
〉100
1.1
6
NREL S 818
0.24
DU97-W-300
0.30
1.6
〉100
1.0
6
2、通過氣動(dòng)外形優(yōu)化，大幅提高氣動(dòng)效率
通過改進(jìn)葉片外形型面，改進(jìn)空氣動(dòng)力和葉片受力狀態(tài)，增加可靠性和對(duì)風(fēng)能捕獲量。
1）優(yōu)化葉片根部翼型
Enercon司為抑制生成擾流和旋渦在葉片端部安裝“小翼”，為改善和提高渦輪發(fā)電機(jī)主艙附近的捕風(fēng)能力，對(duì)葉片根莖進(jìn)行重新改進(jìn)，縮小葉片的外形截面，增加葉徑長(zhǎng)度；對(duì)葉片頂部和根部之間的型面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，Enercon公司在其71m的2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，改進(jìn)后葉片根部的捕風(fēng)能力得以提高。在4.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中繼續(xù)采用此項(xiàng)技術(shù)，旋轉(zhuǎn)直徑為112m的葉片端部仍安裝有傾斜“小翼”，使得葉片單片的運(yùn)行噪音小于3個(gè)葉片(旋轉(zhuǎn)直徑為66m)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪音。
2）細(xì)長(zhǎng)形葉片設(shè)計(jì)
丹麥LM公司提出了“Future Blade”的概念，且已在其54m和61.5m巨型葉片上使用了這種設(shè)計(jì)概念。LM公司研發(fā)部經(jīng)理Frank V．Nielsen認(rèn)為未來葉片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵已從效率最大化轉(zhuǎn)移到能量成本(COE)最優(yōu)化，葉片將會(huì)更加細(xì)長(zhǎng)，這種設(shè)計(jì)技術(shù)將會(huì)降低葉片載荷，葉片質(zhì)量分布更加優(yōu)化。
3）柔性和預(yù)彎設(shè)計(jì)是目前大型號(hào)葉片中廣泛采用的設(shè)計(jì)技術(shù)
葉尖采用“柔性”設(shè)計(jì)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，葉尖輕微彎曲。 降低了葉片風(fēng)壓和風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)扭矩，并最大限度捕獲所有可用風(fēng)速范圍內(nèi)的風(fēng)能，包括邊緣的低風(fēng)速區(qū)域，比傳統(tǒng)的葉片捕風(fēng)能力提高了5～10％。
四、復(fù)合材料制造工藝進(jìn)步，促進(jìn)了葉片的技術(shù)發(fā)展
1、濕法手糊成型：增強(qiáng)材料浸膠，一層一層地緊貼在模具上，手動(dòng)趕出氣泡/真空壓實(shí)。
2、預(yù)浸料成型：提高性能、降低重量
預(yù)浸料成型方法是按設(shè)計(jì)要求的鋪層順序先將預(yù)浸料鋪放在模具內(nèi)，然后用真空袋將尚未成型的制件密封，抽真空，以排除在鋪層內(nèi)的氣泡、揮發(fā)分和袋內(nèi)的空氣，按最佳的固化工藝參數(shù)在熱壓罐內(nèi)固化成型葉片。對(duì)于40m以上葉片，VESTAS和GAMESA仍使用預(yù)浸料工藝。
3、真空灌注成型（RIM）：提高性能、降低制造成本
先將纖維織物等增強(qiáng)材料鋪放在模腔里，然后抽真空，樹脂基體在真空壓力的作用下被導(dǎo)入模腔浸漬增強(qiáng)材料。
