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新型叶片:新趋势 新挑战

编辑:湖州拓科仪器有限公司  字号:
摘要:新型叶片:新趋势 新挑战
石可重介绍,新一代风力发电技术的主要特征就是大型化、区域化和智能化。当前的叶片研究热点也主要体现在适应风电技术新趋势上。随着风电机组单机容量的不断扩大,叶片的长度也从20米左右发展到60米以上,目前国际上正在研制的最大容量的风电机组是10MW,其叶片长度达到了75米以上。而这种叶片大型化趋势,带来了一系列技术新问题。

各国存在不同的地域和气候特征,也给叶片的设计带来不同的要求。如我国三北地区的低温、高风沙,沿海地区的高温湿、多台风,风场低风速现象。

这种区域化的特征要求开展抗台风叶片、低风速叶片、仿生叶片和低噪音叶片等一系列区域化技术的研究,石可重介绍,下一阶段我国风电科研重点将是基于中国风资源特点的产品设计和技术研发。

此外,他还指出,智能化也是风电技术开发未来的趋势。风机叶片尺寸和重量的不断增长使风机的控制越来越困难,因此智能叶片技术也是新一代风电技术研究的重要方向之一。

事实上,随着风电产业的快速发展,海上风电在新一代风电技术中具有重要地位。他还指出,还应关注海上风电发展带来的新挑战。目前,陆地上风电场设备和建设技术基本成熟,随着欧洲陆上风能资源的枯竭,未来风能技术发展的主要驱动力将来自蓬勃崛起的海上风电。海上风电对风电机组的安全性、可靠性、易维护性和施工成本控制提出了更高的要求。我国拥有丰富的海上风资源,随着海上风电技术的逐渐成熟及成本的下降,海上风能必然会成为我国将来能源结构中的重要组成部分。

“漂浮式风电机组是近几年国外风电行业的研发重点,该项技术对扩大海上风资源的利用范围,对风电机组的优化设计和安全运行、提高风能转化效率,对增强我国大型海上风电机组的自主研发能力和推进设备国产化具有重要的意义”,石可重说。

正是基于国际风电技术新发展趋势带来的挑战,国家能源局在2009年12月设立了首批国家能源研发(实验)中心,其中中科院工程热物理所成立了国家能源风电叶片研发(实验)中心,该中心专门对新一代风电技术展开研发。

新型叶片带来产业新增长点

在风电产业的未来发展趋势下,一些新型叶片将给产业带来新的增长点。

如新风力机专用翼型、钝尾缘叶片、仿生叶片、低噪叶片、智能叶片等,如适合于我国高风沙、低风速地区和适合于海上抗台风条件下的专用翼型族。

“我国北方地区特有的天气情况例如结冰、沙尘、昆虫尸骸堆积以及盐蚀会导致风机叶片表面粗糙度增大,使摩擦阻力增大,最终导致机组发电功效降低,叶片疲劳寿命缩短;大尺度叶片柔性增大使叶片经常处于大攻角分离区,失速现象严重,降低发电功效并引发叶片疲劳振动;另外,大尺度叶片诱发噪声问题也不容忽视”,石可重介绍,而所谓的仿生叶片,就是针对这些问题,根据自然界某些动物及植物表皮及翼翅的特有功能,通过优化流体流动状态,优化设计叶片解决此类问题。他预计,在“十三五”期间该中心能够完成仿生叶片研发,并实现产业化。

而钝尾缘叶片的研究则是着眼于南方沿海台风频发的区域特征而进行的。未来沿海风电与海上风电的发展对叶片的抗台风性能提出了很高的要求,为此,该中心采用钝尾缘叶片技术为基础的抗台风策略,针对钝尾缘翼型导致叶片阻力升高的缺点,开展了一系列增升减阻以及钝尾缘翼型造型方法的机理研究,为开发具有我国自主知识产权的大型海上风电叶片进行技术储备。

目前,海上风电的一个技术难题还在于风电机组的抗腐蚀性。因此,未来叶片材料的研发将着重解决这个问题。除了抗腐蚀性,这些新的研究还着眼于使叶片重量减轻,经济性提高;同时使叶片的结构变形、耐低温、抗雷击、耐盐雾和防沙尘暴等。

“随着风电产业的高速发展,叶片退役后给环境造成的影响越来越大,采用可回收利用的热塑性叶片树脂基体等新材料、新工艺很可能成为今后风电叶片研究和制造的热点方向之一”,石可重说。

此外,由于风能存在不稳定的特性,随着风电机组在电网中所占比例越来越大,对电网的影响越来越明显,智能电网将是应对可再生能源发电并网的有效解决手段。而智能叶片也成为未来产业发展的一个方向。

“风电机组智能化对风电机组的载荷优化控制技术、仿真方法、风功率预测技术、检测技术、故障诊断及预警系统等一系列技术均提出了较高的要求,是新一代风电技术研究的重要方向之一”,石可重说。

风电机组的智能化还是一项有重要经济价值的工作。采用新的以先进传感、传动与控制技术为依托的载荷控制技术(即智能叶片技术)可以降低损害转子和其他零部件的额外叶片载荷、减少叶片材料需求、减少维护和提高风机可靠性,同时,也可使传动系统及塔架、机舱等部件的载荷及重量有一定幅度的下降,从而使风机成本大大降低。

向新技术进发

中国科学院工程热物理研究所成立于1980年,前身是国际著名科学家、叶轮机械三元流动理论创建者、工程热物理学科奠基人吴仲华教授于1956年创立的中国科学院动力研究室。

徐建中是研发中心的学术带头人,他也是中国科学院院士,在叶轮机械气动热力学的基础研究与应用研究都颇有建树。以他为代表,中科院工程热物理研究所在风能利用领域建立了一支与产业紧密结合的高水平科研队伍,拥有9名高级专家构成的首席科学家团队。

为了打破国外风电企业长期的技术封锁,该所与保定开发区合作成立了国内第一个专门从事风电叶片研发的企业——华翼风电叶片研发中心。2007年11月,该中心投产了中国第一片1.5/ 2.0MW风电叶片。

2009年10月,运用该中心大尺寸预弯式风电叶片的设计技术研制的1.5MW38米叶片实现批量化生产,在张北崇礼西桥梁风场实现挂机运行。该型号产品是国内第一个通过鉴衡认证中心认证的1.5MW级风轮叶片,其气动效率、噪音等各项指标达到国际同类产品水平,为建立我国自主知识产权的叶片设计体系奠定了基础。

设计的贴近中国风资源状况系列化叶片已经达到年产1000片叶片的能力。“中心设计的适合于低风速地区的42.8米叶片气动效率和噪声达到国际同类产品先进水平,叶片价格比国外同类产品进口价格低10%-15%左右,更为难能可贵的是,这个叶片从开始设计到完成挂机仅用了三个半月时间,真正体现了中国速度”,石可重介绍。

此外,他们还通过与韩国DACC公司和晓星公司合作,进行2.0MW43.8m叶片气模芯、模具设计与制作,进行样片生产并完成叶片的静力、模态检测,实现了我国自主知识产权的风电技术的首次出口。

“这个项目标志着我国叶片制造技术不再只是单纯的技术引进,而是能在自主创新的前提下实现风电叶片模芯模具设计制造、叶片制造、叶片检测的技术输出”,石可重介绍。

此前,为了跟踪国际先进设计理念与发展方向,该所还在2007年与荷兰国家能源中心(ECN)共同建立了“中荷联合风能研究中心”,同年与保定开发区共建了河北省风电叶片工程中心, 目前,中心在行业内已经具有一定的知名度和影响力,已为国内多家叶片厂商提供叶片设计、检测和技术支持服务。

2010年,中科院工程热物理研究所与华锐风电签署协议,共同建设“江苏省海上风电研究院”,国电联合动力的合作也在稳步推进。现在,他们正在筹划建立“海峡两岸风电研究院”。与东汽、国电联合动力等的合作,也在顺利开展。

由于具有国内领先的叶片技术,国家能源局在2009年批准中国科学院工程热物理所建立国家级叶片检测中心。该中心参考美国可再生能源实验室、丹麦国家风能研究中心等国外著名机构的检测与运行经验,在认证体系中接受认证机构委托或直接接受企业检测要求,提供检测服务。检测机构根据产品认证实施规则及其相关的规范和标准对送样产品进行检测,完成检测后,再向认证机构或送检企业提交检测报告。该中心的建成,将为促进我国风电产业健康发展发挥重要作用。

据介绍,“十二五”期间,中国科学院工程热物理研究所将主要致力于具有完全自主知识产权的新型叶片及相关关键核心技术研发,实现基础研究与高技术研发的产学研体系的有机结合,经过5年发展,将使我国风电叶片研发能力处于世界前列。

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