超长叶片材料和结构设计学术沙龙纪要
2019年3月21日，中国可再生能源学会风能专业委员会组织了超长叶片材料和结构设计学术沙龙。这次学术沙龙是庆祝中国可再生能源学会成立四十周年的学术活动之一。沙龙邀请了一些长期工作在科研、生产第一线的资深专家参加，重点讨论了长叶片减重问题。
2008年以后，长叶片在国内风力发电机组上的使用逐渐增加。通过这些年对长叶片机组使用情况的跟踪结果看：长叶片的使用增加了风力发电机组风轮的扫掠面积，推动了国内低风速地区的风能开发利用，使国内可开发资源量大大增加；然而也发现，与以前的机组比较，使用长叶片的机组与叶片相关的机械部分的故障率大幅增加，例如齿轮箱、变桨轴承、主轴轴承等。追根溯源，这些故障都与叶片加长后风轮重量增加、风轮转动惯量增加相关。近几年多兆瓦风力发电机组的开发，特别是海上风力发电机组的开发应用，使得叶片减重问题变得非常紧迫。
参加沙龙的专家认真讨论了国内企业与国外企业生产的叶片的差距、问题产生的原因、解决问题的技术路径，以及技术攻关的组织模式等问题。会议达成以下共识：
一、国内企业叶片减重问题涉及多方面因素
国内企业制造的叶片比国外企业同类叶片重15% 左右。根据厂家公布的数据，55m级别的叶片相比国外某知名通用叶片厂家的叶片，国内每套（3片）叶片大约要重10t左右。按照这个差距，如果我们能够达到国外厂家的水平，预计每年叶片的材料费用即可节约15亿元人民币。
产生问题的原因是多方面的，包括▼
1.大部分厂家的设计条件过于宽泛。一个设计基本上可以涵盖95%以上市场区域的需求。
2.国内叶片设计同质化严重。各家采用的是相同的方法，相同的软件，同样的标准，采取的数据基本也一样；甚至认证机构也与制造厂家采用同样的软件。
3.对于制造叶片的材料试验工作不充分，对材料的安全系数取值也很宽泛。
4.工艺管控不严。同样的叶片生产管控严格的工艺与一般条件的生产工艺相比，结构胶的使用就能差几百公斤。其次在工艺方面采用的系数区别也很大。
以上这些因素累积，安全系数多次叠加，叶片材料的增加量就非常大。即使采用碳纤维也出现同样问题。国外55m的叶片碳纤维的使用量只有800kg，而国内同等级别的叶片碳纤维使用量是国外用量的2倍多。材料用量多，不但减重效果不好，成本也下不来。
另外还存在以下两个问题▼
1.与整机厂家沟通不畅，难以获得真实载荷。
2.在叶片设计载荷与野外真实环境下测量载荷对比研究方面缺乏足够的支撑，难以为叶片设计载荷提供足够的修正经验；以前虽然曾经做过一些研究工作，但还是存在不足。
二、碳纤维叶片应用是发展趋势，但国内尚未受到市场认可
从全球范围看，碳纤维叶片的应用总体在增加。2011年是一个小的高峰，2012年后出现下降，但是从2016年至今，碳纤维叶片的应用一直保持快速增长，目前，风电已成为碳纤维最大的应用领域，近几年市场比例占到26-29%。
国外很多风电企业都在用碳纤维，如Vestas、Siemens-Gamesa、Nordex、GE、TPI等等。LM一直坚持使用玻纤，但在80m的叶片上也采用了碳纤维。
国外有过案例分析，70m长的叶片，使用碳纤维后叶片重量减少了25%，但叶片成本提高了28%。总体上，采用碳纤维叶片，发电量可以提高1.1%，综合成本能降低5%。综合成本降低主要体现在塔筒、轮毂、基础等方面。
近年来，我国国内多家叶片企业也都研制出了碳纤维叶片。以某企业75m长的叶片为例，相较于玻纤叶片，碳纤维叶片重量减轻了4t，重力载荷减少了10%，偏航载荷减少了10%，基础载荷降低了10%，这些因素对提升风力发电机组其他部件的可靠性、降低风力发电机组系统成本有很大优势。用了碳纤维以后，叶片频率也会有较大提升，更有利于避开共振。鉴于碳纤维叶片的许多优势，未来碳纤维在超长叶片中的应用应该是发展趋势。
但迫于整机厂家对叶片的价格压力，我国国内碳纤维叶片至今尚未受到市场认可，这使得一些叶片企业不得不继续开发玻纤叶片。
三、参会专家针对问题产生的原因，提出以下建议：
1.重点推动叶片实测载荷与设计载荷的对比，在此基础上改进结构设计、材料设计，从根源上减掉叶片重量以及不必要的成本。
2.叶片企业应做好工艺控制，挖掘降低成本的潜力。
3.努力克服技术惯性，在超长叶片设计中，要克服软件的局限性，在软件的应用或开发方面要有所突破。
4.开发叶片专用的低成本碳纤维材料。鉴于国外碳纤维低成本化的发展经验，呼吁国内碳纤维企业重视风电叶片对碳纤维的市场需求，与风电叶片企业开展合作，开发适合风电叶片使用的碳纤维材料，扩大产能，降低成本。
5.开展碳纤维叶片生产工艺研究。现在国外主要采用拉挤工艺，如Vestas和GE已申报多项专利，国内企业如采用拉挤工艺须规避专利，另辟蹊径。真空灌注和预浸料工艺各有优缺点，需要加强研究工作。
6.开展碳纤维叶片防雷击和防电化学腐蚀研究。碳纤维有电化学腐蚀，这在飞机设计上有成熟的经验。防雷击方面，风电叶片和飞机的防雷机理有差别。
对于开展研究工作的组织方式，参会专家建议：叶片和整机协同设计有利于推动叶片减重和新材料应用的研究。叶片减重问题需要由整机企业来牵头推动，组织叶片厂、材料供应商以及风电场业主共同推动。叶片厂和整机厂协同设计，可以挖掘出更大的价值，尽管局部成本可能提高，但可带来系统成本的降低和可靠性的提升，从而带来长远的收益。
以上内容仅供参考。
本次沙龙活动旨在搭建一个行业交流的平台。有关叶片减重等问题的进一步解决，尚需要更多的行业专家和相关企业共同参与，提出意见、建议，或开展实质性合作研究。风能专委会亦将对以上问题进行持续关注，并适时组织更深入的研究和探讨。
/ 特别致谢专家名单 /
贺德馨 王斯永 陈 淳 田 野
姚小芹 王同光 张晓明 杜广平
中国可再生能源学会风能专业委员会
2019年4月25日
／End.
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