葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有效捕獲風(fēng)能的關(guān)鍵部件

1、葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有效捕獲風(fēng)能的關(guān)鍵部件。在發(fā)電機(jī)功率確定的條件下，如何提高發(fā)電效率，以獲得更大的風(fēng)能，一直是風(fēng)力發(fā)電追求的目標(biāo)，而捕風(fēng)能力的提高與葉片的形狀、長度和面積有著密切的關(guān)系，葉片尺寸的大小則主要依賴于制造葉片的材料。葉片的材料越輕、強(qiáng)度和剛度越高，葉片抵御載荷的能力就越強(qiáng)，葉片就可以做得越大，它的捕風(fēng)能力也就越強(qiáng)。因此，輕質(zhì)高強(qiáng)、耐久性好的復(fù)合材料成為目前大型風(fēng)力發(fā)電葉片的首選材料。無論是陸地風(fēng)力發(fā)電，還是海上風(fēng)力發(fā)電，每千

2、瓦時(shí)的發(fā)電成本均隨著發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的增加而下降，發(fā)電裝備的大型化已經(jīng)成為風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展趨勢。近幾年，隨著全球風(fēng)力發(fā)電市場的逐漸成熟，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)相繼出現(xiàn)。目前商業(yè)化風(fēng)力發(fā)電所用的電機(jī)容量一般為1.52.0MW，與之配套的復(fù)合材料葉片長度大約30—40米。據(jù)報(bào)道，現(xiàn)今世界上最大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量為5MW，旋轉(zhuǎn)直徑可達(dá)126.3米。丹麥的LM公司為此裝備配套研制了61.5米長的復(fù)合材料葉片，單片葉片的重量接近18噸，成為世界最大的復(fù)合

3、材料葉片“巨人”。這一實(shí)例成功地體現(xiàn)了材料、結(jié)構(gòu)和工藝的三者的完美結(jié)合。在復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電葉片的研究開發(fā)過程中，德國、丹麥、美國等風(fēng)能資源利用較好的國家針對大型葉片的材料體系、外形設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝、質(zhì)量檢驗(yàn)、在線實(shí)時(shí)監(jiān)測和廢棄物處理作了大量的研究開發(fā)工作，并取得了豐碩的成果。設(shè)計(jì)者和制造商已經(jīng)完全可以針對不同的地區(qū)風(fēng)力發(fā)電的需要，選擇最佳的設(shè)計(jì)方案和制造技術(shù)，生產(chǎn)適合不同需求的復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電葉片。目前正在服役的風(fēng)力發(fā)電葉片多為

4、復(fù)合材料葉片。這些葉片基本上是由聚酯樹脂、乙烯基樹脂和環(huán)氧樹脂等熱固性基體樹脂與E一玻璃纖維、s一玻璃纖維、碳纖維等增強(qiáng)材料，通過手工鋪放或樹脂注入等成型工藝復(fù)合而成，以滿足不同風(fēng)場的使用要求。由于玻璃纖維的價(jià)格僅為碳纖維價(jià)格的110左右，目前的葉片制造采用的增強(qiáng)材料仍以玻璃纖維為主。例如，在54米長的大型復(fù)合材料葉片制造中依然以玻璃纖維為增強(qiáng)材料，最輕的葉片重量僅為13.4噸。隨著超大型葉片的出現(xiàn)，葉片長度不斷增加，葉片對增強(qiáng)材料的強(qiáng)

5、度和剛度等性能也提出了新的要求，玻璃纖維在大型復(fù)合材料葉片制造中逐漸顯現(xiàn)出性能方面的不足。LM公司在制造615米的大型復(fù)合材料葉片時(shí)，為保證葉片能夠安全地承擔(dān)風(fēng)、溫度等外界載荷，單純的玻璃纖維增強(qiáng)材料已經(jīng)很難滿足葉片對強(qiáng)度和剛度的要求。因此，該葉片采用了玻璃纖維碳纖維混雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，尤其是在翼緣等對材料強(qiáng)度和剛度要求較高的部位，則使用碳纖維作為增強(qiáng)材料。這樣，不僅可以提高葉片的承載能力，由于碳纖維具有導(dǎo)電性，也可以有效地避免雷擊對葉片

6、造成損傷。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在工作過程中，復(fù)合材料葉片不僅要承受強(qiáng)大的風(fēng)載荷，還要經(jīng)受氣體沖刷、砂石粒子沖擊、以及強(qiáng)烈的紫外線照射等外界的侵蝕。為了充分發(fā)揮增強(qiáng)材料的增強(qiáng)作用，提高復(fù)合材料葉片的承擔(dān)載荷、耐腐蝕和耐沖刷等項(xiàng)性能，LM公司等復(fù)合材料葉片的制造商們還對樹脂基體系統(tǒng)進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)和改進(jìn)。采用性能優(yōu)異的環(huán)氧樹脂代替不飽和聚酯樹脂，改善了玻璃纖維樹脂界面的粘結(jié)性能，提高了葉片的承載能力，擴(kuò)大了玻璃纖維在大型葉片中的應(yīng)用范圍。為提高復(fù)合材

7、料葉片在惡劣工作環(huán)境中的長期使用性能，sP公司選擇最佳的材料體系和制造工藝，制造出質(zhì)量最好的復(fù)合材料葉片，以滿足風(fēng)力發(fā)電快速發(fā)展的需求，未來的成型工藝將給復(fù)合材料葉片制造提供最優(yōu)的實(shí)施手段。以最小的葉片重量獲得最大的葉片面積，使得葉片具有更高的捕風(fēng)能力，葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得十分重要，尤其是符合空氣動力學(xué)要求的大型復(fù)合材料葉片的最佳外形設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要性尤為突出，它是實(shí)現(xiàn)葉片的材料有效結(jié)合的軟件支撐。另外，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用也使得

8、葉片的結(jié)構(gòu)與層合板設(shè)計(jì)更加細(xì)化，有利的支持了最佳工藝參數(shù)的確定。早在1920年，德國的物理學(xué)家舢bertBetz就對風(fēng)力發(fā)電葉片進(jìn)行過詳細(xì)的計(jì)算?；诋?dāng)時(shí)的計(jì)算條件和對風(fēng)力發(fā)電葉片的認(rèn)識，Be￡z在葉片計(jì)算時(shí)采用了一些假設(shè)條件。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，計(jì)算手段的顯著提高，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，人們對風(fēng)力發(fā)電葉片的認(rèn)識和理解也在逐步深人。尤其是近十年來，經(jīng)過研究人員對風(fēng)力發(fā)電葉片進(jìn)行的多次現(xiàn)場載荷、聲音和動力測量以后，發(fā)現(xiàn)葉片的理論預(yù)測值與

9、實(shí)際記錄值有較大的偏離。這可能是由于過多地相信了風(fēng)洞試驗(yàn)，而對葉片服役期間可能遇到的較強(qiáng)動態(tài)環(huán)境和湍流條件考慮不足造成的。因此，一些相關(guān)人員對當(dāng)時(shí)的葉片計(jì)算采用的假設(shè)條件提出了質(zhì)疑。流體動力學(xué)計(jì)算和軟件的改進(jìn)使得研究人員能夠更精確地模擬葉片實(shí)際的受力狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改善葉片的空氣動力學(xué)特性，即使葉片在旋轉(zhuǎn)速度降低5%的情況下，捕風(fēng)能力仍可以提高5%；隨著葉片旋轉(zhuǎn)速度的降低，葉片運(yùn)行的噪音大約可以降低3dB。同時(shí)，較低的葉片旋轉(zhuǎn)速

10、度要求的運(yùn)行載荷也較低，旋轉(zhuǎn)直徑可以相應(yīng)的增加。在此項(xiàng)研究的基礎(chǔ)上，德國的E~ercon公司將風(fēng)力發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)直徑由30米增加到33米，復(fù)合材料葉片也隨著相應(yīng)的增加。由于葉片長度的增加，葉片轉(zhuǎn)動時(shí)掃過的面積增大，捕風(fēng)能力大約提高了25%。Enercon公司還對33米葉片進(jìn)行了空氣動力試驗(yàn)，經(jīng)過精確的測定，葉片的實(shí)際氣動效率為56%，比按照Betz計(jì)算的最大氣動效率低約3—4個百分點(diǎn)。為此，該公司對大型葉片外形型面和結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了必要的改進(jìn)

11、：包括為了抑制生成擾流和漩渦，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，增加葉徑長度；對葉片頂部與根部之間的型面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，Enercon公司開發(fā)出旋轉(zhuǎn)直徑7l米的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。E~ercon公司在45MW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112米的葉片端部仍安裝的傾斜“小翼”，使得葉片單片的運(yùn)行噪音小于3