海上风电▏海上大叶片技术
一、海上风电发展趋势
海上风能资源优越，2017～2019年全国海上风电项目预计招标容量为1019.6万千瓦，海上风电发展潜力巨大。国家能源局《能源技术创新“十三五规划”》指出，“十三五”期间重点研究8MW～10MW 陆/海上风电机组关键技术，实现5～6MW等大型海上风电机组安装规范化和机组运维智能化。
5～6MW目前已规模化装机，8～12MW预研已开始，海上风电将快速进行大兆瓦时代。
二、海上风电叶片发展趋势
福建一带海域，I类风区，设计理论年满发利用小时数超过3200h，单位千瓦扫风面积需超过3.0，8MW叶片的长度需要约87m，12MW叶片约104m；
江苏以北海域，III类风区，设计理论年满发利用小时数需超过3000h，单位千瓦扫风面积需超过4.5S/KW，8MW叶片的长度需要约107m，12MW叶片约128m。
海上风电大兆瓦时代叶片大型化成趋势。
三、海上大叶片面临的挑战
叶片大型化和海上复杂的外部环境，使得海上大叶片面临如下几大挑战：
⑴大型叶片设计可靠性与可靠性验证；
⑵碳纤维主梁成型工艺的技术路线选择；
⑶碳纤维主梁质量可靠性保证；
⑷大型叶片腹板定位及粘接可靠性保证；
⑸海上叶片雷电防护可靠性保证；
⑹海上叶片腐蚀防护可靠性保证；
⑺大型叶片验证可靠性保证。
四、海装5MW～83.6m叶片开发经验分享
面对海上风电叶片的诸多挑战，海装5MW～83.6m叶片在国内风电领域进行了多方面的开创性探索。
(1)碳纤维主梁设计
显著提高叶片刚度，减轻叶片重量，5MW-83.6m海上风电叶片设计重量仅为25.7T，相比行业内众多采用玻纤主梁的叶片重量达到30T左右，大大降低了整机载荷，降低机组综合成本。
(2)增加后缘安全性
增加TE-UD腹板，大大增加超大型叶片的摆振刚度及后缘安全性。
(3)碳纤维主梁真空灌注
碳纤维主梁制造主要有预浸料、真空灌注、碳拉挤板三种技术。预浸料技术具有最有利的优点是易浸润，缺点是黏性大铺设困难，容易产生层间间隙，储存运输困难，成本高；真空灌注技术最有利的优点是铺设容易，缺点是碳纤维浸润性能差，层数较多时真空灌注一次性完全浸透困难；碳拉挤板技术最有利的优点是易固化，缺点是铺设随形困难，不宜过宽，且层间结合力低。
经验证碳纤120层，厚度大于70mm主梁采用真空灌注技术路线可行。
(4)无损检测技术
碳纤维制品肉眼无法检测内部缺陷，且厚度较厚时，普通设备难以识别出缺陷；对碳纤维检测常用的有红外、X射线、激光散斑、超声技术；研究发现，对于大厚度的碳纤维制品，采用相控阵超声波无损检测技术，配备专用的探头和设备，可以实现对碳纤维主梁100%检测。
(5)腹板PS面一体粘接技术
对于大型叶片，腹板高度达3.5m，难以固定和定位，应设计大型腹板一体粘接定位工装，采用腹板PS面一体粘接控制技术，有效保证大型叶片腹板定位质量。应对主梁粘接区域及后缘粘接区域进行100%无损检测保证粘接安全。
(6)大叶片型式试验
83.6m叶片为国内最长，需要更大更宽的试验台，海装与第三方认证公司共同论证探讨试验场地、试验方案，目前该叶片已通过鉴衡的静力测试、正在进行疲劳测试。
(7)叶片防护
83.6m风机正常运转时叶尖速达90m/s（324km/h），降雨对叶片前缘破坏能力强，开发过程中应重点关注。
目前用于叶片防护的体系有保护漆（阿克苏诺贝尔、博格林、美凯维奇、麦加等）以及保护膜（3M、德莎）。
叶片开发过程中，设计人员提前对防护材料开展了紫外、湿热测试，接近真实海洋环境；对防护材料性能进行研究，考察材料的施工性能，采用接近真实施工条件下的样板，叠加大流量、加速雨蚀试验综合考察材料特性，选用防腐能力综合性能最优的防护体系。
(8)叶片防雷技术
碳纤维主梁的引入使叶片的雷电防护系统变得复杂；金属网是一种既能接闪、传导又能防护复合材料的材料，与传统的引下线有着本质区别；碳纤维主梁的雷电防护通常采用金属铜网；技术人员综合选择多种金属网，开展雷击测试对比验证，选用接闪性能最高的新型防雷材料；经验证，应至少选用195g/m2的金属网，可满足雷电传输要求。
海装按照IEC规范，开展了叶片防护系统试验。1000KV高电压初始先导附着及扫略试验； 200KA，300C，10MJ大电流冲击及能量转移试验。经系统化验证，碳纤维主梁无需采用引下线设计，采用合适的铜网防护方案可保证防雷安全，且取消引下线设计还减少叶片内部产生电弧的风险。
五、结语
海上风电叶片运行在不易测，不可控，不易达的严酷与复杂环境，海上风电面临诸多未知与挑战，同时还有众多未能突破的难题与技术瓶颈，愿全行业携手努力，大力开展基础研究和科研试验，攻克海上风电发展难题，为整机的经济性及安全性提供更强大的保障，共享蓝海发展。
■本文作者/肖航 冀满忠 黄金余，来自《中国海装》，版版权归作者所有
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