风电发展趋势之机组功率叶片大型化

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人类使用风能的历史很早，例如发明帆船利用风能进行水上航行，比较有名的就是荷兰人利用风能改造低洼地，因此风车也成了荷兰的象征。年，美国人查尔斯·布鲁斯在克里夫兰建成第一座可以发电的风力发电机。它高17米，使用了个叶片，发电能力为12干瓦。年，丹麦物理学家PoulLaCour发现，叶片较少但旋转较快的风力发电机效率高于叶片多但转速慢的风力发电机。应用这一原理，他设计建造了一座使用4个叶片、发电能力为25干瓦的风力发电机。年，美国Smith公司建造了由工程师Putnam设计的大型风力发电机（Smith-Putnam风机），这是世界上第一个MW级风力发电机，该风机叶轮直径53米，逆风偏航设计，配有额定功率1.25MW同步发电机。此后兆瓦级风力发电逐渐被人们接受，随着技术的进步，兆瓦级风机成为风力发电机的主流。年全球风力发电机装机总数台，总装机MW，平均每台风机2.WM，而英国风电平均单机容量3.兆瓦，成为首个单机容量超3.5MW的国家。而随着海上风电的发展，要求风电机组功率更大，叶片更长。而风力发电机容量变大的一个明显标记就是叶片越来越长，目前绝大多数风力发电机的叶片长度都在50米以上，甚至出现了80米以上、甚至米的叶片。随着风机的功率的增加，叶片长度的不断增大，这是因为风力发电机的选址、基础建设占风场投资的相当大部分，现在风力发电机大了，同等规模的风场，不用那么多风力发电机，也就不用建那么多基台以及配套设施。叶片越大，风力发电机就越高，有研究表明，风速在空中水平和（或）垂直距离上会发生变化，即切变。以0.5的风切变下，塔架高度从m增加到m，年平均风速将从5.0m/s增加到5.53m/s，某-2.2机组的年等效满发小时数可从h增加到h，提升了20.34%。风切变越大、塔架高度越高，发电量增量越大。同时叶片边长，叶片的受风面积越大，发电效率越高。目前，条件较优的陆上风场基本已经被占用，年平均风速在5.3m/s-6.5m/s之间,年利用小时数在h以下的低风速风场的利用将会是未来一段时间考虑的重点。而低风速风场的开发，需要更长的叶片。因此，叶片大型化已经成为未来发展的方向，并收到相关政策的支持。国家发展改革委和国家能源局下发的《能源技术革命创新行动计划(~年)》也明确指出，未来将重点研究米级及以上叶片三维设计方法与设计体系、叶片载荷与破坏机理和优化校核方法，以及基于高效叶片气弹、轻量化结构、和新材料技术相结合的一体化设计技术;研究米级及以上叶片结构轻量化设计技术、叶片碳—玻材料混杂及铺层优化设计技术;研制米级及以上大型海上风电机组叶片，研究大型叶片测试技术，推动具有自主知识产权的系列化风电叶片产业化。但叶片长度的不断增大，对于目前传统玻纤复合材料，密度大，自身重量也不断增加。而玻纤的模量小，当叶片长到一定程度，因为刚性不足发生扰动，扰动的叶片在旋转的过程中就会发生晃动，不仅会对轴承、电机产生损伤，严重的话，叶片还会打到塔筒，造成严重事故。所以在这种情况下，具备高强高模、低密度的碳纤维复合材料，成为了人们的重点考虑的对象。吉林重通年2月推出的长83.6米的风机叶片，采取了灌注工艺制备的碳纤维的大梁，该叶片重量25.2吨，相比于同类型的全玻纤叶片，减轻了接近11吨的重量，减重效果明显。而维斯塔斯创造性开发碳纤维拉挤板材作为叶片大梁的新工艺，进一步优化工艺、提高生产效率，减重效率更加明显，达40%以上。

近期米长的叶片也频见报道：

而近日，维斯塔斯宣布已为其.5米长叶片准备好了模具，这是目前全球最长的风电叶片。叶片制作好后，将于今年下半年安装在维斯塔斯首台V-15MW海上风电样机上。

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