低風速系列化葉片設計技術應用案例

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低風速系列化葉片設計技術應用案例由於近些年風電行業迅速發展，而風能資源豐富地區相對集中，各大發電集團和開發商採取「先圈地再開發」的策略，目前高風速地區已是相當稀缺的資源。

目錄

一、背景

由於近些年風電行業迅速發展，而風能資源豐富地區相對集中，各大發電集團和開發商採取「先圈地再開發」的策略，目前高風速地區已是相當稀缺的資源。同時，「三北」地區經濟較為落後，風電在當地的消納能力有限，而風電併網向經濟發達地區輸電環節又始終無法得到妥善的解決，導致風機空轉，無法真正產生效益。低風速地區的開發是對風電基地外風電上網的有效補充，以分布式併網的方式減少對電網的衝擊。低風速超長葉片適用於低風速資源區的開發，合理而有效地開發低風速風能，將平衡現有風電發展格局，有助於行業更為健康、理性的發展。

1.項目概述

目前，我國大規模風能開發利用主要集中在風能資源豐富的高風速地區，而我國的風力資源中IECⅢ類風資源居多，是Ⅰ類和Ⅱ類風資源總量的兩倍。隨着我國高風區風電開發趨於飽和，靠近負荷中心的低風速風電場開發將迎來巨大的市場空間。而我國風電開發起步較晚，從國外引進的技術往往不適合我國的風資源特點，因此，本項目針對未來中國風電產業的需求，開發2.XMW低風速葉片開發。這對帶動我國風電產業的發展，提高國產葉片的競爭力具有重要作用。

本項目進行低風速葉片的研究開發，涉及的葉片設計技術主要有低風速超長葉片低載、減重技術及工藝技術。項目在現有成果和技術上，採取自主研發設計的技術路線。項目實施主要內容如下：

葉片的細長化是低風速超長葉片的明顯特徵。要降低葉片的弦長分布，在氣動設計中可以從以下三個層面開展工作：1）選用超常規的高尖速比設；2) 在葉片的尖部區域選用低載高效翼型；3) 修改升力係數設計點。低風速超長葉片的結構減重工作可在以下三個方面進行：1）選用新型、優質材料；2）在葉片根部和和中部選用大厚度翼型，提高葉片的結構效率，有效減少結構重量；3）發展複合材料結構優化方法，開發優化計算程序。在工藝上，採用真空導入樹脂技術，先在各專用模具上（梁帽模具、剪腹板模具、主模具）分別成型梁帽、剪腹板、葉片蒙皮及其他部件，然後在主模具上把兩個蒙皮、主梁及其它部件膠接組裝在一起，合模加壓固化後製成整體葉片。

同時，隨着葉片的加長，葉片試驗過程中所出現的損傷有很多無法用肉眼察覺，影響葉片的使用壽命，因此，本項目開展無損探傷檢測研究，掌握其方法。主要創新如下：1）建立低風速葉片研究開發平台，完善葉片設計體系，實現低風速超長葉片的自主知識產權；2）在葉片設計中，通過增大葉片掃風面積增加風能捕獲，同時進行降載機理分析和方法研究，採用高尖速比設計，使得增加風能捕獲的同時控制載荷；3）在葉片設計中，通過優化結構鋪層，控制長葉片的質量。4）在葉片工藝中取得如下成果：分段式CNC加工陽模、模具加熱系統及加熱方法、模具雙真空系統、單注膠管注膠方式、樹脂真空脫泡等。5）掌握無損探傷方法並加以推廣應用。

生產方面，中科宇能擁有四大生產基地，分別在河北保定、河北邢台、甘肅白銀、湖南益陽，其中河北保定車間占地23.6萬平方米，60m以上生產線8條，河北邢台車間占地20.4萬平方米，70m以上生產線2條，甘肅白銀車間占地20萬平方米，50m以上生產線3條，湖南益陽車間占地30萬平方米，60m以上生產線4條。四個車間配備專用生產設備、檢測設備200餘台，年生產能力達到1000套/年。

產品設計開發方面，基於整機客戶需求，對葉片進行系列化減重及特定風場優化設計，開發了59.5、59.5B、59.5D、59.5F、64、64A、64B、64C、64D等系列化葉片，分別銷售給金風、運達、中車、久和等整機廠家，並在青海、雲南、新疆等多地進行了掛機。

2.主要效益

上述各型號葉片累計銷售額達到10億元，並進行生產技術許可轉讓至中材、中復、艾朗、重通等廠家，應用該技術的64m和59.5m葉片經估算分別占131和121機組掛機葉片的50%和80%左右。

3.技術要點

本項目是在「適合中國風資源狀況的系列化風輪葉片研究開發」這一成果的技術上開展研發的，該成果的主要技術特點如下：1）在國內率先建立了集基礎理論、設計體系、工藝開發、中試和檢測為一體的先進的風電葉片研發平台，完成十餘個型號風輪葉片自主設計；並首次實現葉片設計技術的對外輸出，打破了國外設計技術的壟斷。2）針對低風速葉片需求，首次提出以極限載荷為主要約束的葉片設計多目標優化方法，開發了相應的算法，並在低風速葉片設計中得到成功應用，在嚴格滿足主機提出的載荷限制條件的同時，保證獲取最大年發電量。3）突破葉片設計規範對尖速比的限制，首次實現低風速條件下高尖速比為10的設計, 通過降載機理分析，在增加風能捕獲的同時有效地控制了載荷，解決了掃風面積增大導致載荷增大的難題。4）發展了一種複合材料結構優化方法，開發優化計算程序並在葉片設計中加以應用，有效提高葉片的結構鋪層的效率，滿足低風速葉片設計降低葉片重量的需求。5）自主設計製造葉片的主要工藝裝備———模芯模具，並採用自主研發的水加熱系統，使模具的生產能力大幅提高。解決了風輪葉片真空吸注成型工藝技術的一系列關鍵問題。首次完成了工藝裝備和葉片製作工藝體系向國外整體輸出。

4.應用前景

本項目技術可以應用於IEC Ⅲ類及弱Ⅲ類風區的低風速風電場項目，目前，中東南部地區以低風速風能資源為主，河南、山東、江蘇和安徽的風速隨高度增加較快，但仍屬於低風速資源。據測算，中國陸上80m高度低風速風能資源技術待開發量為4.9億千瓦，100m高度為5億千瓦，120m高度為4.6億千瓦，140m高度為4.1億千瓦。隨着分布式能源興起，低風速風電進入高速發展階段，中東南部的低風速資源若高效利用，足以支撐風電「十四五」高質量發展。