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

1、葉片是風(fēng)力發(fā)電機組有效捕獲風(fēng)能的關(guān)鍵部件。在發(fā)電機功率確定的條件下，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，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、強度和剛度越高，葉片抵御載荷的能力就越強，葉片就可以做得越大，它的捕風(fēng)能力也就越強。因此，輕質(zhì)高強、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、瓦時的發(fā)電成本均隨著發(fā)電機單機容量的增加而下降，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)電機相繼出現(xiàn)。目前商業(yè)化風(fēng)力發(fā)電所用的電機容量一般為1.52.0MW，與之配套的復(fù)合材料葉片長度大約30—40米。據(jù)報道，現(xiàn)今世界上最大的風(fēng)力發(fā)電機的裝機容量為5MW，旋轉(zhuǎn)直徑可達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、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝、質(zhì)量檢驗、在線實時監(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。由于玻璃纖維的價格僅為碳纖維價格的110左右，目前的葉片制造采用的增強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，葉片對增強材料的強

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，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材料已經(jīng)很難滿足葉片對強度和剛度的要求。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度和剛度要求較高的部位，則使用碳纖維作為增強材料。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)電機組在工作過程中，復(fù)合材料葉片不僅要承受強大的風(fēng)載荷，還要經(jīng)受氣體沖刷、砂石粒子沖擊、以及強烈的紫外線照射等外界的侵蝕。為了充分發(fā)揮增強材料的增強作用，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)進行了精心設(shè)計和改進。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)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的重要性尤為突出，它是實現(xiàn)葉片的材料有效結(jié)合的軟件支撐。另外，計算機仿真技術(shù)的應(yīng)用也使得

8、葉片的結(jié)構(gòu)與層合板設(shè)計更加細化，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)電葉片進行過詳細的計算?；诋?dāng)時的計算條件和對風(fēng)力發(fā)電葉片的認識，Be￡z在葉片計算時采用了一些假設(shè)條件。隨著計算機技術(shù)發(fā)展，計算手段的顯著提高，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，而對葉片服役期間可能遇到的較強動態(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)時的葉片計算采用的假設(shè)條件提出了質(zhì)疑。流體動力學(xué)計算和軟件的改進使得研究人員能夠更精確地模擬葉片實際的受力狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，進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，葉片運行的噪音大約可以降低3dB。同時，較低的葉片旋轉(zhuǎn)速

10、度要求的運行載荷也較低，旋轉(zhuǎn)直徑可以相應(yīng)的增加。在此項研究的基礎(chǔ)上，德國的E~ercon公司將風(fēng)力發(fā)電機的旋轉(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米葉片進行了空氣動力試驗，經(jīng)過精確的測定，葉片的實際氣動效率為56%，比按照Betz計算的最大氣動效率低約3—4個百分點。為此，該公司對大型葉片外形型面和結(jié)構(gòu)都進行了必要的改進

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)電機主艙附近的捕風(fēng)能力，對葉片根莖進行重新改進，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行優(yōu)化設(shè)計。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)電機組，改進后葉片根部的捕風(fēng)能力得以提高。E~ercon公司在45MW風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計中繼續(xù)采用此項技術(shù)，旋轉(zhuǎn)直徑為112米的葉片端部仍安裝的傾斜“小翼”，使得葉片單片的運行噪音小于3