浅析复合材料风力发电机叶片

李靖

【摘要】由于自然资源的限制和对环境的保护，人类已经把目光投向风力发电领域，把风能作为新型能源。本文简述了风机的原理及叶片的作用、风机叶片设计流程简介及大型风力发电叶片的技术状况分析及其质量控制。

【关键词】复合材料；风机叶片；风力发电

1.风机的原理及叶片的作用

目前国内外的风力发电机普遍应用的是水平轴和垂直轴两大类，其中，水平轴风力发电机是旋转轴与叶片垂直，一般与地面平行的，旋转轴处于水平的风力发电机。垂直轴风力发电机则是旋转轴与叶片平行的，一般与地面垂直，旋转轴处于垂直的风力发电机。目前，大型的风力发电机大多数属于水平轴的，所以市场以水平轴升力型居多。一部典型的现代化水平轴升力型风力发电机主要包括叶片、轮毂（与叶片合称叶轮）、齿轮箱、基座、机舱罩、塔架、发电机、控制系统、制动系统、液压装置、偏航系统等。其工作原理是：当风流过叶片时，由于空气动力的效应带动叶轮转动，叶轮通过主轴连接齿轮箱，经过齿轮箱（或增速机）加速后带动发电机发电。风力发电机不能将所有流经的风能转换成电能，理论上最高转换效率约为59%左右，但实际上大多数风力叶片的转换效率约在30%～50%之间，经过机电设备之后转换成电能的总输出效率约在20%～45%之间。风机叶片从风的流动获得的能量与风速的3次方成正比，与叶轮的直径平方成正比，叶轮直径决定了可撷取风能的多寡。叶片的数量的多少也会影响到风机的输出。一般来说，2叶、3叶的风机效率较高，力矩较低，适用于发电。现代风机叶片一般采用机翼翼型。

2.风机叶片设计流程简介

2.1确定总体参数。（1）确定风轮直径。通过运用给定的公式和参数来进行风轮直径的计算。（2）叶尖速比λ0和叶片数B。风轮的叶片数和叶尖的速比系数及风轮的转速有着密切的联系，风轮叶片数越多，风轮的阻力就越大，风轮的转速也就越慢。对于高速风力发电机来说，叶尖速比在5到8范围内时，风力发电机具有相对较高的风能利用系数。目前国内外的大型风力发电机采用三叶片的较多，三叶片风力机的运行和输出功率方面较为平稳，并且具有很好的旋转特性及视觉效果。（3）选择翼型。翼型的选型对风力发电机的效率十分重要，较好的翼型应该是在某一攻角范围内且升力系数较高，而相应的阻力系数较小；它所适应的雷诺数与风力机实际运行情况的雷诺数相近；并且具有较好的制造工艺性。由于风力发电机叶片的气动性能对其气动外形要求较高，每个叶片都有属于自己不同型号的翼型，这些翼型对风力发电机的效率有着重要影响，因此翼型的选择对叶片的设计有着至关重要的作用。

2.2叶片外形设计。叶片的设计包括外形设计（气动设计）和结构设计，外形设计就是叶展形状的设计，结构设计就是铺层结构的设计。叶展形状与风力发电机的空气动力性密切相关，叶展形状的设计即是叶素弦长和安装角的设计。关于叶展形状有多种设计模型，基于涡流理论的Sc知mltz设计模型、葛涝涡（Glauert）设计模型和Wilson设计模型；葛涝涡模型有两种计算过程：一种和Schmitz模型类似，未明确引进干扰系数；另一种和Wilson模型类似，明确引入了干扰系数。

2.3风机载荷计算。风机载荷计算是风力机设计和认证的重要依据，用于风力机的静强度和疲劳强度分析。国际电工协会制定的IEC61400-1标准、德国船级社制定的GL规范和丹麦制定的DS472标准等对风力机的载荷进行了详细的规定。

2.4风机空气动力试验。风机空气动力试验是风机设计和研究的重要环节，除了在风洞中进行试验外，还可以在风电场中进行风机空气动力试验。

3.大型风力发电叶片的技术状况分析及其质量控制

风力发电叶片技术在国外已经经历了将近十年的市场考验，所开发出的系列叶片也经历了多次设计修改，综合性能趋于完善。而在风力发电叶片开发技术方面我国与国外之间存有一定的差距，因此在我国兆瓦级的叶片技术主要是通过委托设计、生产许可证、联合设计等方式来引进的。叶片的制造工艺主要有干法预浸料成型工艺、湿法预浸料成型工艺、手糊成型工艺和真空灌注成型工艺等。以目前来看，大型风力发电叶片制造工艺已以真空灌注成型工艺居多，此工艺性能稳定，产品质量好，投资成本适中，所以被广泛应用。但该工艺对制作要求严格，如果质量控制不严，工艺条件控制不足，，叶片将很易报废。叶片质量的高低是通过控制过程来实现的。保证叶片生产质量的重要手段是以运行良好的质量保证体系来实现的。在制造风力发电叶片的过程中，需要纤维铺设、树脂固化、胶接、表面涂装等关键过程。生产现场管理要实施规范化，保证和维持生产现场的干净、整齐、美观和规范。在制造过程中，特殊工序和关键工序一定按照要求严格遵守，执行“三定一确认”的原则，保证每个要素都处于受控状态。在成型过程中每一步骤都要做好记录，建立完整的成型过程档案，保证每片叶片的质量有有效的技术档案，和质量的可追溯性。避免主要成型过程中出现大的缺陷，这些要求是过程质量控制的关键。产品寿命内的全过程取决于风力发电叶片的质量，所以要建立完善的风力发电叶片制造技术档案，建立面向现场的生产管理，保证产品质量的可追溯性。风力发电叶片的运行寿命为20年左右，运行过程中，不可避免的会发生裂纹、碰伤等情况，甚至需要更换叶片。这就需要完整有效的的风力发电叶片档案。叶片的档案是正确维护、维修叶片的基础。档案记录要从原材料的编号、批号，到叶片成型过程中每个工序的质量状况，再到出厂检验情况都要客观，准却的记录在案，叶片档案与叶片同保存。以方便叶片的运行中的维护与维修，准确分析发生破坏的原因等。

4.结论

作为可再生清洁能源之一的风能，我国现已开始注重风能的开发与利用。在国际上，一些有着先进风力发电技术的国家看好了拥有巨大潜力的中国风力发电市场，更有一些国家如丹麦、美国为了降低生产成本，提高国际市场竞争力，纷纷在中国建厂。而我国对可再生清洁能源的重视与支持，促使风力发电的发展更为快速，这些机遇成为我国开发与发展大型复合材料叶片的前进力与推动力，也是一个不可多得的发展机遇。同时我国大型复合材料叶片的发展也面临着强劲的国际竞争和巨大的市场需求，这对我国来说也是巨大的挑战。

参考文献

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