淺析復合材料風力發(fā)電機葉片

李靖

【摘要】由于自然資源的限制和對環(huán)境的保護，人類已經(jīng)把目光投向風力發(fā)電領域，把風能作為新型能源。本文簡述了風機的原理及葉片的作用、風機葉片設計流程簡介及大型風力發(fā)電葉片的技術狀況分析及其質(zhì)量控制。

【關鍵詞】復合材料；風機葉片；風力發(fā)電

1.風機的原理及葉片的作用

目前國內(nèi)外的風力發(fā)電機普遍應用的是水平軸和垂直軸兩大類，其中，水平軸風力發(fā)電機是旋轉(zhuǎn)軸與葉片垂直，一般與地面平行的，旋轉(zhuǎn)軸處于水平的風力發(fā)電機。垂直軸風力發(fā)電機則是旋轉(zhuǎn)軸與葉片平行的，一般與地面垂直，旋轉(zhuǎn)軸處于垂直的風力發(fā)電機。目前，大型的風力發(fā)電機大多數(shù)屬于水平軸的，所以市場以水平軸升力型居多。一部典型的現(xiàn)代化水平軸升力型風力發(fā)電機主要包括葉片、輪轂（與葉片合稱葉輪）、齒輪箱、基座、機艙罩、塔架、發(fā)電機、控制系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、液壓裝置、偏航系統(tǒng)等。其工作原理是：當風流過葉片時，由于空氣動力的效應帶動葉輪轉(zhuǎn)動，葉輪通過主軸連接齒輪箱，經(jīng)過齒輪箱（或增速機）加速后帶動發(fā)電機發(fā)電。風力發(fā)電機不能將所有流經(jīng)的風能轉(zhuǎn)換成電能，理論上最高轉(zhuǎn)換效率約為59%左右，但實際上大多數(shù)風力葉片的轉(zhuǎn)換效率約在30%～50%之間，經(jīng)過機電設備之后轉(zhuǎn)換成電能的總輸出效率約在20%～45%之間。風機葉片從風的流動獲得的能量與風速的3次方成正比，與葉輪的直徑平方成正比，葉輪直徑?jīng)Q定了可擷取風能的多寡。葉片的數(shù)量的多少也會影響到風機的輸出。一般來說，2葉、3葉的風機效率較高，力矩較低，適用于發(fā)電?，F(xiàn)代風機葉片一般采用機翼翼型。

2.風機葉片設計流程簡介

2.1確定總體參數(shù)。（1）確定風輪直徑。通過運用給定的公式和參數(shù)來進行風輪直徑的計算。（2）葉尖速比λ0和葉片數(shù)B。風輪的葉片數(shù)和葉尖的速比系數(shù)及風輪的轉(zhuǎn)速有著密切的聯(lián)系，風輪葉片數(shù)越多，風輪的阻力就越大，風輪的轉(zhuǎn)速也就越慢。對于高速風力發(fā)電機來說，葉尖速比在5到8范圍內(nèi)時，風力發(fā)電機具有相對較高的風能利用系數(shù)。目前國內(nèi)外的大型風力發(fā)電機采用三葉片的較多，三葉片風力機的運行和輸出功率方面較為平穩(wěn)，并且具有很好的旋轉(zhuǎn)特性及視覺效果。（3）選擇翼型。翼型的選型對風力發(fā)電機的效率十分重要，較好的翼型應該是在某一攻角范圍內(nèi)且升力系數(shù)較高，而相應的阻力系數(shù)較小；它所適應的雷諾數(shù)與風力機實際運行情況的雷諾數(shù)相近；并且具有較好的制造工藝性。由于風力發(fā)電機葉片的氣動性能對其氣動外形要求較高，每個葉片都有屬于自己不同型號的翼型，這些翼型對風力發(fā)電機的效率有著重要影響，因此翼型的選擇對葉片的設計有著至關重要的作用。

2.2葉片外形設計。葉片的設計包括外形設計（氣動設計）和結構設計，外形設計就是葉展形狀的設計，結構設計就是鋪層結構的設計。葉展形狀與風力發(fā)電機的空氣動力性密切相關，葉展形狀的設計即是葉素弦長和安裝角的設計。關于葉展形狀有多種設計模型，基于渦流理論的Sc知mltz設計模型、葛澇渦（Glauert）設計模型和Wilson設計模型；葛澇渦模型有兩種計算過程：一種和Schmitz模型類似，未明確引進干擾系數(shù)；另一種和Wilson模型類似，明確引入了干擾系數(shù)。

2.3風機載荷計算。風機載荷計算是風力機設計和認證的重要依據(jù)，用于風力機的靜強度和疲勞強度分析。國際電工協(xié)會制定的IEC61400-1標準、德國船級社制定的GL規(guī)范和丹麥制定的DS472標準等對風力機的載荷進行了詳細的規(guī)定。

2.4風機空氣動力試驗。風機空氣動力試驗是風機設計和研究的重要環(huán)節(jié)，除了在風洞中進行試驗外，還可以在風電場中進行風機空氣動力試驗。

3.大型風力發(fā)電葉片的技術狀況分析及其質(zhì)量控制

風力發(fā)電葉片技術在國外已經(jīng)經(jīng)歷了將近十年的市場考驗，所開發(fā)出的系列葉片也經(jīng)歷了多次設計修改，綜合性能趨于完善。而在風力發(fā)電葉片開發(fā)技術方面我國與國外之間存有一定的差距，因此在我國兆瓦級的葉片技術主要是通過委托設計、生產(chǎn)許可證、聯(lián)合設計等方式來引進的。葉片的制造工藝主要有干法預浸料成型工藝、濕法預浸料成型工藝、手糊成型工藝和真空灌注成型工藝等。以目前來看，大型風力發(fā)電葉片制造工藝已以真空灌注成型工藝居多，此工藝性能穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量好，投資成本適中，所以被廣泛應用。但該工藝對制作要求嚴格，如果質(zhì)量控制不嚴，工藝條件控制不足，，葉片將很易報廢。葉片質(zhì)量的高低是通過控制過程來實現(xiàn)的。保證葉片生產(chǎn)質(zhì)量的重要手段是以運行良好的質(zhì)量保證體系來實現(xiàn)的。在制造風力發(fā)電葉片的過程中，需要纖維鋪設、樹脂固化、膠接、表面涂裝等關鍵過程。生產(chǎn)現(xiàn)場管理要實施規(guī)范化，保證和維持生產(chǎn)現(xiàn)場的干凈、整齊、美觀和規(guī)范。在制造過程中，特殊工序和關鍵工序一定按照要求嚴格遵守，執(zhí)行“三定一確認”的原則，保證每個要素都處于受控狀態(tài)。在成型過程中每一步驟都要做好記錄，建立完整的成型過程檔案，保證每片葉片的質(zhì)量有有效的技術檔案，和質(zhì)量的可追溯性。避免主要成型過程中出現(xiàn)大的缺陷，這些要求是過程質(zhì)量控制的關鍵。產(chǎn)品壽命內(nèi)的全過程取決于風力發(fā)電葉片的質(zhì)量，所以要建立完善的風力發(fā)電葉片制造技術檔案，建立面向現(xiàn)場的生產(chǎn)管理，保證產(chǎn)品質(zhì)量的可追溯性。風力發(fā)電葉片的運行壽命為20年左右，運行過程中，不可避免的會發(fā)生裂紋、碰傷等情況，甚至需要更換葉片。這就需要完整有效的的風力發(fā)電葉片檔案。葉片的檔案是正確維護、維修葉片的基礎。檔案記錄要從原材料的編號、批號，到葉片成型過程中每個工序的質(zhì)量狀況，再到出廠檢驗情況都要客觀，準卻的記錄在案，葉片檔案與葉片同保存。以方便葉片的運行中的維護與維修，準確分析發(fā)生破壞的原因等。

4.結論

作為可再生清潔能源之一的風能，我國現(xiàn)已開始注重風能的開發(fā)與利用。在國際上，一些有著先進風力發(fā)電技術的國家看好了擁有巨大潛力的中國風力發(fā)電市場，更有一些國家如丹麥、美國為了降低生產(chǎn)成本，提高國際市場競爭力，紛紛在中國建廠。而我國對可再生清潔能源的重視與支持，促使風力發(fā)電的發(fā)展更為快速，這些機遇成為我國開發(fā)與發(fā)展大型復合材料葉片的前進力與推動力，也是一個不可多得的發(fā)展機遇。同時我國大型復合材料葉片的發(fā)展也面臨著強勁的國際競爭和巨大的市場需求，這對我國來說也是巨大的挑戰(zhàn)。

參考文獻

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