風(fēng)電葉片認證對產(chǎn)品開發(fā)的影響研究

文 | 楊越，李成良

“促進低成本、高能效可再生能源技術(shù)協(xié)調(diào)發(fā)展”成為“十三五”期間可再生能源技術(shù)發(fā)展的主要重點，“風(fēng)火同價”“平價上網(wǎng)”近在眼前，當(dāng)前政策的調(diào)整與市場需求發(fā)展的方向給風(fēng)電行業(yè)內(nèi)各企業(yè)帶來了苦練內(nèi)功的大好時機，全產(chǎn)業(yè)鏈從設(shè)計源頭將背負降本壓力。

產(chǎn)品認證，作為統(tǒng)一認可和行業(yè)發(fā)展所需的“通行證”，在迎合“低成本、高能效”市場發(fā)展的同時，既能保障風(fēng)電行業(yè)保持安全穩(wěn)定的發(fā)展，又常被作為行業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)準則。產(chǎn)品認證通常是由具有行業(yè)公信力和獲得授權(quán)資質(zhì)的第三方對產(chǎn)品或業(yè)務(wù)的性能和安全進行評估。服務(wù)覆蓋了風(fēng)電行業(yè)的全生命周期，從原材料認證、部件認證，到整機的認證以及風(fēng)電場的建設(shè)運營全過程（詳見圖1）。在中國、德國、丹麥、荷蘭和印度等國家，風(fēng)電機組認證已經(jīng)作為強制要求，而在美國、加拿大和澳大利亞等國家，風(fēng)電機組證書更是風(fēng)電機組投標和獲得項目貸款的先決條件。

在風(fēng)電場，風(fēng)能利用的核心是風(fēng)電機組，其中最常用的類型是水平軸風(fēng)電機組。風(fēng)輪葉片是風(fēng)電機組的主要構(gòu)成部件，在風(fēng)力的作用下迅速旋轉(zhuǎn)，捕獲風(fēng)能，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。

在過去二十年里，風(fēng)電行業(yè)快速發(fā)展。風(fēng)電機組向著單機容量更大發(fā)展，葉片向著更長長度設(shè)計，風(fēng)電機組和葉片產(chǎn)品更新?lián)Q代速度加快的同時，設(shè)計開發(fā)及制造難度加大，研發(fā)成本也隨之增加。在風(fēng)電機組認證作為市場強制要求的前提下，市場對葉片認證的細節(jié)控制及時間周期反而有著更高的要求，并且葉片認證還承擔(dān)著為葉片降本提供指導(dǎo)建議的任務(wù)。本文主要聚焦于風(fēng)輪葉片產(chǎn)品認證的研究， 分析其對葉片設(shè)計開發(fā)與葉片降本的影響。

認證及其標準

國內(nèi)外有很多具有資質(zhì)的風(fēng)電機組認證機構(gòu)，最初進入市場的認證機構(gòu)主要是分布在風(fēng)能應(yīng)用較早和較好的國家， 比如丹麥、德國、荷蘭。國際上提供認證服務(wù)的機構(gòu)主要包括DNVGL、TUV Nord、TUV Sud、TUV Rheinland、DEWI-OCC、Bureau Veritas、UL等。國內(nèi)主要的風(fēng)電機組葉片認證機構(gòu)有鑒衡認證中心（CGC），中國船級社（CCS），中國質(zhì)量認證中心（CQC）等。目前在國內(nèi)外風(fēng)電市場上已經(jīng)形成了完善的風(fēng)電機組和零部件設(shè)計制造安裝/生產(chǎn)管理以及質(zhì)量檢測的技術(shù)標準和認證體系，為風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了全面的安全保證。

國內(nèi)外市場上主要使用的葉片部件認證標準包括：

（1）IEC61400-1 Wind Turbine Generator System-Safety Requirements

（2）IEC 61400-22 Wind Turbine-Part22: Conformity testing and certification IEC 61400-23 Wind Turbine-Part22: Full-scale structural testing of rotor blade IEC 61400-24 Wind Turbine-Part22: lightning Protection

（3）GL2010 Guideline of certification for the Wind Turbines Edition 2010

（4）GB/T 25383－2010 風(fēng)電機組風(fēng)輪葉片

（5）GB/T 25384－2010 風(fēng)電機組風(fēng)輪葉片全尺寸結(jié)構(gòu)試驗

圖1 風(fēng)電檢驗認證系統(tǒng)四階段

未來行業(yè)內(nèi)可能使用的葉片部件認證標準主要有：

（1）IEC 61400-5 Wind Turbine Blades （2018年發(fā)布草案）

（2）DNVGL-ST-0376 Rotor Blades for Wind Turbine （2015年版）

風(fēng)電機組葉片作為風(fēng)電整機系統(tǒng)的重要零部件，其部件型式認證評估模塊與整機相對應(yīng)（參考圖 2），需要從設(shè)計基準開始介入，評估模塊包括設(shè)計評估（載荷評估、材料評估、葉片校核、葉根連接分析、防雷、運輸存儲吊裝等）、試驗驗證（頻率測試、前靜力測試、疲勞測試、后靜力測試等）、制造審查（質(zhì)量體系、生產(chǎn)與設(shè)計一致性評估等），獲得最終的評估報告，進而獲得型式認證證書或一致性聲明。

新標準及其對葉片研發(fā)的影響

在前文中提及的IEC61400以及GL 2010是目前國際上主流的葉片部件認證標準。IEC61400由IEC（國際電工委員會）在1995年建立，為各國建立統(tǒng)一的認證體系提供了有力依據(jù)。IEC61400-22主要是對風(fēng)電機組的要求進行了約束，并沒有詳細的參數(shù)和判斷指標。GL 2010則由原德國勞氏船級社風(fēng)能事業(yè)部在原發(fā)行認證指南的基礎(chǔ)上修改，并在2010年更新發(fā)行。GL2010在IEC61400的基礎(chǔ)上，對葉片設(shè)計校核及其測試制造細則進行了細化和指導(dǎo)，作為一個行業(yè)內(nèi)技術(shù)執(zhí)行的最低標準，與IEC61400結(jié)合對行業(yè)進行指導(dǎo)。

相比已經(jīng)被大家熟知的標準，IEC61400-5則針對風(fēng)電機組葉片進行了全流程的規(guī)范和指導(dǎo)，已經(jīng)在2018年發(fā)布草案。而DNVGL-ST-0376是由原德國勞氏船級社GL與原挪威船級社DNV在2013年合并后共同發(fā)行的新的行業(yè)指導(dǎo)準則，已于2015年發(fā)行。以上兩個標準都是針對水平軸風(fēng)電機組葉片進行詳細指導(dǎo)的規(guī)范，對比已熟知的認證標準，新標準也對更多的葉片開發(fā)細節(jié)進行了闡述。

圖2 葉片部件型式認證的主要評估模塊

一、材料安全系數(shù)分類細化

校核分析中材料值選取需要考慮一系列安全系數(shù)，以GL規(guī)范為例，在新的標準中對不同使用條件下的安全系數(shù)進行了調(diào)整。

在DNVGL-ST-0376中，安全系數(shù)計算方式及各考慮因素的安全系數(shù)定義如下式所示：

式中，γm0為基本折減系數(shù)；γmc為失效模式危險性的部分余量因子；γm1為不可逆長期退化的部分余量因子；γm2為溫度效應(yīng)下的部分余量因子；γm3為制造過程控制下的部分余量因子；γm4為分析方法精準度的部分余量因子；γm5為載荷假設(shè)的部分余量因子。

材料安全系數(shù)在DNVGL-ST-0376與GL2010中關(guān)于6種校核模式的取值對比結(jié)果詳見表1。

從表1中可以看出，對比GL2010， DNVGL-ST-0376中部分安全系數(shù)的選取并無太大變化。γm0＝1.2是一個基本的折減系數(shù)， γmc＝1.08用于考慮失效模式的危險性；可以推算出γm0.γmc＝1.3 ，類似于之前DNV葉片規(guī)范DNV-OS-C501的一個基本系數(shù)，其數(shù)值與原GL2010規(guī)范中的系數(shù)1.35相差不大，這兩個安全系數(shù)主要是從經(jīng)驗上對葉片失效概率的考慮。γm1是指不可逆的長期退化，在考慮環(huán)氧體系時因其較好的穩(wěn)定性，通常比其他體系要小一點。γm2是指溫度的影響，通常疲勞校核選擇1.0，而極限校核選擇1.1，主要是考慮疲勞大多發(fā)生在常溫下，取值范圍變化不大。γm3是指對制造工藝過程控制的考慮因素。相比而言，γm4和γm5對葉片設(shè)計的控制影響較大。

γm4主要考慮分析方法的精確性。在纖維失效極限強度分析時通常參數(shù)可確定為1.0，在纖維失效疲勞分析時，如果使用不同參數(shù)R的特定S-N曲線進行分析，也可以取值到1.0。在考慮粘接膠分析、屈曲、纖維間失效時，如考慮非線性方法取代線性或通過測試進一步驗證，系數(shù)都會有明顯的降低。

γm5主要考慮載荷的準確性。如果按照GL2010考慮 4個極限工況和2個疲勞分量工況，則需要采用1.2的安全系數(shù)；但若按照新規(guī)范，考慮至少12個極限方向、6個疲勞方向，則安全系數(shù)有明顯下降，對纖維失效分析和屈曲分析將增加近20%安全余量，纖維間分析也增加10%安全余量。此外，更高的設(shè)計安全余量、更準確的載荷還帶來更完整的結(jié)構(gòu)校核，尤其對后緣分析有很大幫助。

因此，對比兩個不同的參考標準，如果采用DNVGL-ST-0376所取得的參數(shù)值比GL2010的參數(shù)值低，可以從γm4和γm5入手，即：使用更精準的分析計算方式及使用更加細化準確的載荷方向。

以屈曲及穩(wěn)定性分析為例，參考兩種不同的規(guī)范，可以得到不同的安全系數(shù)（詳見圖3），對比計算結(jié)果可以看到，安全系數(shù)減小為原來的80%。

使用同樣的材料體系以及完成同樣的功率目標，如果減小材料安全系數(shù)，葉片在設(shè)計中將減少原材料的使用量，從而降低原材料成本，葉片自重減小量可以達到10%～20%。同時，葉片自重的減小也降低了葉片本身的載荷，對匹配整機有著很大的優(yōu)勢。

二、子部件測試代替全尺寸測試

所有新推出的葉片產(chǎn)品都需要對其進行全尺寸的型式試驗以驗證其安全性。在一個完整的葉片型式認證中（詳細如圖4所示），從開始認證到獲得型式認證證書，預(yù)計需要12個月時間，其中型式試驗占據(jù)著最長的時間，尤其以疲勞測試時間最長，耗時約4個月時間。

根據(jù)目前葉片行業(yè)經(jīng)驗，在一個完整的風(fēng)電葉片開發(fā)過程中，型式測試費和認證費用占據(jù)了約20%的比重（詳細如圖5所示），即葉片測試和認證時間成本及支付費用的減小，對降低風(fēng)電葉片成本乃至降低風(fēng)力發(fā)電成本很有意義。

DNVGL-ST-0376更多地考慮通過更加靈活快速的測試方式，結(jié)合子部件測試以及額外的評估來避免一些重復(fù)性驗證工作，以節(jié)省后續(xù)測試的時間和資源。一些新的測試方式也為提高效率與降低成本提供了思路。

對于已經(jīng)得到充分測試的葉片型號進行設(shè)計的風(fēng)電機組葉片，則可以將全尺寸試驗轉(zhuǎn)為補充子部件級測試，從局部到完整地論述葉片都完成了全尺寸測試驗證?？梢詼p少測試的情況有：

（1）只影響了非測試區(qū)域，如葉尖形狀的改變；

（2）只影響到葉片有限的區(qū)域，并可以證明其他測試區(qū)域已得到充分驗證；

（3）變化提供了葉片的強度，但沒有明顯改變?nèi)~片的整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)和內(nèi)部載荷分布。

或者對于一個新的型號，可以看作是多個子部件的組合體。其某一子部件的安全性已經(jīng)通過其他測試完成，無需再次測試。以葉根測試為例，葉根段對于葉片整體結(jié)構(gòu)而言承擔(dān)著較大的載荷，使得葉片疲勞測試時間延長。如相同結(jié)構(gòu)的葉根結(jié)構(gòu)已經(jīng)通過其他疲勞測試驗證，則對于更加保守的葉根結(jié)構(gòu)，滿足載荷包絡(luò)的情況下，結(jié)合分析可以推斷出葉根部分無需再次驗證。

表1 不同分析模式下材料安全系數(shù)的選?。ㄒ原h(huán)氧樹脂為例）（DNVGL-ST-0376與GL2010對比）

另外，目前疲勞測試主要是分揮舞和擺振兩個方向，對葉片疲勞性能進行驗證，一個方向測試完成后轉(zhuǎn)換方向再次進行。與之相比，多軸耦合疲勞測試是同時對揮舞和擺振方向的測試，不僅與葉片實際受力情況更為相近，也提高了葉片測試效率，可節(jié)省約30%的測試時間，從而在提高安全性控制的同時達到降低葉片測試成本的目的。

使用子部件測試并結(jié)合額外的評估來說明變化的合理性，可以更好地證明葉片仍然滿足全尺寸型式認證所需的安全性。

利用已經(jīng)完成的子部件測試，可以避免相同結(jié)構(gòu)再次測試，一定程度上減少了疲勞測試的驗證范圍，帶來一系列的優(yōu)勢：降低全尺寸葉片在型式試驗尤其是疲勞測試中的測試周期，節(jié)省時間成本；節(jié)省后續(xù)重復(fù)試驗投入的設(shè)備、測試臺、人員等；節(jié)省后續(xù)重復(fù)試驗投入的認證費用、測試見證費、評估費；提前進行的子部件測試，對設(shè)計結(jié)果進行分批量驗證，提前控制風(fēng)險。

根據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗，在節(jié)省時間成本的同時，測試費用預(yù)計可以減少20%，則對于葉片研發(fā)項目可以節(jié)省至少3%，一個1000萬元的開發(fā)項目可節(jié)省成本達30萬元。

圖3 屈曲及穩(wěn)定性——不同標準可以選取到的安全系數(shù)

圖4 葉片型式認證全流程及其時間

圖5 葉片費用支出分布

總結(jié)

本文通過對葉片認證市場背景、認證意義以及對新認證標準的剖析，闡述了葉片認證對葉片研發(fā)和葉片生產(chǎn)的指導(dǎo)意義。葉片認證作為行業(yè)的最低標準，為風(fēng)電行業(yè)保駕護航，在提供產(chǎn)品安全保障的前提下，有利于提升設(shè)計水平，符合技術(shù)發(fā)展趨勢。新發(fā)布的認證規(guī)范DNVGL-ST-0376，通過更加精細的分析模型和更加準確的載荷數(shù)據(jù)，實現(xiàn)材料安全系數(shù)的減小，可以達到降低原材料使用量從而使葉片減重增功的目的，葉片自重減小量可以達到10%～20%。將全尺寸試驗轉(zhuǎn)為子部件級測試，通過測試與評估相結(jié)合，減少測試時間、節(jié)省資源、縮短葉片認證周期，使產(chǎn)品更快投入市場的同時節(jié)約成本，測試費用預(yù)計可以減少20%。新規(guī)范為產(chǎn)品精細化設(shè)計、葉片降本等方面的研究指明了方向。