朱文雯

【摘?要】針對于風力發(fā)電機而言，葉片是該設備的重要部件，在設備運行過程中，通過葉片實現(xiàn)風力發(fā)電機能，直接將風能轉(zhuǎn)換為機械能。結合當前我國風力發(fā)電機的工作情況來看，較好的風力發(fā)電機氣動性能較好，進而獲得更佳的經(jīng)濟效益。在風力發(fā)電機運行過程中，葉片本身的氣動性能是發(fā)電機本身氣動性能的一種表現(xiàn)，由此可見，葉片設計對于風力發(fā)電機有著十分重要的影響。本文主要內(nèi)容探究了復合材料風力發(fā)電機葉片結構優(yōu)化設計，希望能為我國風力發(fā)電機的優(yōu)化升級有所啟示。

【關鍵詞】復合材料;發(fā)電機;葉片結構;優(yōu)化設計;探析

引言

當前，在全世界范圍內(nèi)都面臨著能源危機這一問題，生態(tài)環(huán)境的日益惡化使得人們愈發(fā)重視環(huán)境問題。清潔風力發(fā)電作為一種可再生的新能源技術，近些年來取得了前所未有的發(fā)展。各國在發(fā)展過程中不斷針對風力發(fā)電問題探究出了新材料與新技術，加快了風力發(fā)電技術的研發(fā)工作。在風力發(fā)電過程中，風力發(fā)電機葉片能夠?qū)︼L能進行吸收，進而將其抓換為機械能。在此過程中風力發(fā)電機的葉片數(shù)量、翼型以及尖速都對風力發(fā)電質(zhì)量與效率有著直接影響。

1風力發(fā)電機相關概述

風能作為一種可再生的綠色能源，具有無污染、可再生等特點，基于此，在當前全球環(huán)境日益惡化、資源短缺的情況下，各國都愈發(fā)重視風能的利用。風力發(fā)電機作為可以將風能轉(zhuǎn)換為機械功的設備，在運行過程中，機械功會帶動設備中的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，而后輸出交流電的電力設備。通常情況下，風力發(fā)電機由儲能裝置、塔架、風輪、調(diào)向器等組成。根據(jù)風力發(fā)電機的運行情況來看，其工作原理較為簡單，設備中的風輪會在風力的作用下進行旋轉(zhuǎn)，此時風輪將風的動能轉(zhuǎn)化為了風輪軸的機械能，發(fā)電機在風輪軸的帶動下便會旋轉(zhuǎn)發(fā)電[1]。從廣義的角度來看，風能也是太陽能，我們也可以說是風力發(fā)電機以太陽為熱源，以大氣為介質(zhì)的熱能利用發(fā)電機。在能源供應日益緊張的情況下，風力發(fā)電機在國家政策的支持下實現(xiàn)了快速發(fā)展，我國風電設備制造業(yè)近些年來迅速崛起，目前已經(jīng)成為全世界范圍內(nèi)風電最為活躍的場所。

2項目介紹

2.1項目背景

本文以R1730葉片工藝優(yōu)化質(zhì)量改善項目為例，該項目立項時間為2017年3月，項目結束時間為2017年10月。在對風力發(fā)電機設備進行優(yōu)化中發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機葉片部位存在有經(jīng)常發(fā)白、浸漬不良、產(chǎn)品不穩(wěn)定等問題，并且在葉片注樹脂管下還存在有發(fā)白、壓痕等現(xiàn)象。在該項目中，葉片占據(jù)總項目的一大部分，總體成本過高，為項目優(yōu)化運行帶來諸多影響[2]。

2.2項目疑難點

根據(jù)對風力發(fā)電機的檢測結果來看，在優(yōu)化風力發(fā)電機葉片的過程中，主要存在有葉片根部處塞片真空灌注不透、樹脂灌注管下出現(xiàn)較多的壓痕機發(fā)白、梁帽原來采用預制，現(xiàn)在使用一體灌注降本具有加大灌注難度等問題。此外，還存在有葉片內(nèi)包邊原先采用預制再膠接，一體預制增大浸漬不良風險。這些問題的出現(xiàn)都為風力發(fā)電機葉片優(yōu)化工作帶來影響，只有將這些問題有針對性的進行檢查，最終才能夠確保風力發(fā)電機葉片結構優(yōu)化升級，為后期風力發(fā)電系統(tǒng)高效率運行打下堅實的基礎[3]。

3復合材料風力發(fā)電機葉片結構優(yōu)化設計

結合當前我國風力發(fā)電系統(tǒng)的運行情況來看，發(fā)電機葉片結構在整個系統(tǒng)中占有十分重要的作用，直接影響了系統(tǒng)的運行質(zhì)量與運行效率，由此可見對風力發(fā)電葉片結構進行優(yōu)化的重要性。筆者結合自身多年經(jīng)驗，從以下內(nèi)容詳細論述了有關復合材料風力發(fā)電機葉片結構優(yōu)化設計。

3.1優(yōu)化設計方法

在對復合材料風力發(fā)電機葉片結構進行優(yōu)化設計時，設計人員需要充分考慮整個風力發(fā)電項目的實際情況，結合當?shù)厍闆r，從葉片材料、葉片載荷、葉片剖面結構等方面入手，對風力發(fā)電機葉片結構不斷優(yōu)化，以便提高風力發(fā)電機的運行質(zhì)量與效率，推動風力發(fā)電項目順利開展。

3.2優(yōu)化設計數(shù)學模型

3.2.1復合材料風力發(fā)電機葉片的材料選擇

在選擇風力發(fā)電機葉片材料的過程中，需要充分考慮到葉片材料的可靠性、安全性以及物理特性等，確保風力發(fā)電機葉片在復雜的環(huán)境下都能夠正常運行。針對于復合材料風力發(fā)電葉片而言，主要包含有碳纖維、玻璃纖維兩種風力發(fā)電機葉片。其中，玻璃纖維的風力發(fā)電機葉片具有可設計性強、重量輕、性價比高等特點，在傳統(tǒng)風電葉片中應用較為廣泛。隨著風力發(fā)電項目探究的不斷進步，有關碳纖維復合材料的發(fā)電機葉片在容量需求較大的風力發(fā)電機項目中逐漸被應用。兩種復合材料之間各有優(yōu)缺點。相較于玻璃纖維而言，碳纖維的優(yōu)點更加明顯。其他條件相同的情況下，碳纖維的葉片質(zhì)量明顯低于玻璃纖維的葉片，滿足了風力發(fā)電設計中輕量化的要求。但是因為碳纖維的材料價格較高，甚至為玻璃纖維葉片的十倍，不能滿足商家的利益需求，因此，那么葉片輕量化程度較高，在大多數(shù)風力發(fā)電項目中仍舊選擇的是玻璃纖維的發(fā)電機葉片。

3.2.2葉片剖面結構設計

在風力發(fā)電機葉片剖面結構的基礎上，需要對剖面結構的相關參數(shù)進行運算。葉片剖面的厚度、弦長以及截面形狀的不同，會使得發(fā)電機葉片剖面結構幾何特性也會發(fā)生相應的改變。具體情況如下所示，下圖為葉片翼型剖面圖。

在對風力發(fā)電機葉片進行優(yōu)化時，可以按照以下公式進行運算。

3.2.3風力發(fā)電機葉片鋪層設計

葉面鋪層設計可以說是整個風力發(fā)電機結構設計的關鍵。在此過程中，設計人員需要結合實際情況，在原先鋪層方案的基礎上對葉片設計不斷優(yōu)化，使得葉片能夠充分發(fā)揮自身結構特性。針對于風力發(fā)電機葉片而言，鋪層方法的不同會使得葉片最終的運行結果也不相同，甚至一點距離都會造成較大的影響。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要因素在于風力發(fā)電機葉片鋪層內(nèi)部較為復雜。基于此，設計人員要嚴格把控優(yōu)化設計的每個環(huán)節(jié)，為風力發(fā)電機的運行打下堅實的基礎[4]。

3.2.4葉片載荷分析

在現(xiàn)實生活中，葉片載荷本身的工作狀態(tài)以及自然環(huán)境不同，那么所承受的載荷也會有所不同。針對于風力發(fā)電機的葉片而言，常見的載荷劃分有氣動載荷、重力載荷以及離心力載荷。工作人員只要按照實際情況，結合工程項目所處區(qū)域的環(huán)境合理設計葉片載荷，保證葉片可以承受各方面的載荷。確保風力發(fā)電機在后期可以正常運行。

3.2.5風力機葉片結構設計

當風力機在較為復雜的自然環(huán)境中運行時，不僅要適應當?shù)氐臍夂?，還需要適應當?shù)氐娘L力條件。葉片身為風力機的重要組成內(nèi)容，在運行過程中需要承受多方面的載荷，葉片本身的結構以及強度、穩(wěn)定性對于風力機的運行起著十分重要的作用。設計人員在設計風力葉片的過程中，首先需要對風力機葉片展開分析，其中包含有葉片的靜強度分析、模態(tài)分析、穩(wěn)定分析等內(nèi)容，以便能夠得出具體參數(shù)，為風力機葉片的制造提供強有力的信息支持。

3.2.6葉片蒙皮優(yōu)化

根據(jù)風力發(fā)電機葉片的運行情況來看，葉片在離心載荷、重力載荷以及氣動載荷的作用下，處于不同位置會發(fā)生不同變化。通常情況下，長約12.5m的葉片，應力主要集中在0～9m處，設計人員需要注意對此部位的葉片蒙皮進行優(yōu)化，以便能夠提高葉片質(zhì)量，為風力發(fā)電機后續(xù)運行提供保障。

3.3優(yōu)化設計程序

在確定風力發(fā)電機運行功率的情況下，如何能夠獲取更大的風能，使得發(fā)電效率得以提高是目前我國風力發(fā)電項目所追求的目標。在風力發(fā)電機運行過程中，發(fā)電機的捕風能力與發(fā)電機葉片設計有著直接聯(lián)系。發(fā)電機葉片可以說是風力發(fā)電項目的最核心技術，因此對于發(fā)電機的葉片要求較高。這一因素也是導致葉片技術是風力發(fā)電發(fā)展的關鍵因素，只有對其不斷優(yōu)化，最終才能促使風力發(fā)電葉片的復合材料得到有效應用?？偟膩碚f，葉片優(yōu)化程度要以材料選擇、結構設計等順利逐一開展，提高葉片整體質(zhì)量[5]。

設計人員在優(yōu)化風力發(fā)電機葉片設計的過程中，首先要合理規(guī)劃葉片優(yōu)化設計程序，對風力發(fā)電機的年能量輸出進行全面掌握。風力發(fā)電系統(tǒng)的本質(zhì)是風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)換過程中不可避免會出現(xiàn)能量損失現(xiàn)象，因此在優(yōu)化葉片的過程中，要設計出具有高吸收率的葉片，進而能夠更好的利用風能，提高風力發(fā)電系統(tǒng)的運行質(zhì)量與效率[6]。

4解決疑難方案

根據(jù)當前我國社會發(fā)展情況來看，能源在一定程度上體現(xiàn)了國家本身的競爭力，一個國家的能源是否充足，決定了這個國家國力的強弱。尤其是在煤炭、石油等不可再生資源逐漸減少的情況下，開發(fā)新能源成為各個國家發(fā)展過程中的主要任務。風能身為一種可再生資源，有關研究在我國起步較晚，與發(fā)達國家存在著諸多差距，因此我國更要對此引起重視。在當前我國風力發(fā)電系統(tǒng)運行時，風力發(fā)電葉片難免會遇到塞片真空灌注不透等疑難問題，針對這一問題可以通過選擇預制塞片的方式，或者通過打孔工作增加樹脂的流動性，不斷優(yōu)化葉片尺寸，使其能夠符合風力發(fā)電系統(tǒng)的運行要求。此外，還可以通過樹脂灌注管下方墊PP板，增加樹脂的流動性及避免壓痕，減小應力集中。葉片的梁帽采用一體灌注，導流網(wǎng)處切割導流槽，加雙層導流網(wǎng)。工作人員需要注意的是在灌注前的樹脂增加抽真空，減少氣泡，采用真空脫泡攪拌設備，使得風力發(fā)電機葉片優(yōu)化工作得以順利開展，為風力發(fā)電系統(tǒng)后續(xù)得以高質(zhì)量運行打下堅實的基礎[7]。

結束語

綜上所述，結合當前世界發(fā)展趨勢來看，未來各個國家之間的競爭便是能源的競爭，能源是否充足決定了國家的強弱。風能作為一種可再生能源，逐漸被世界各國重視，在我國政策的扶持下，風力發(fā)電行業(yè)近些年來得到了快速發(fā)展。葉片身為風力發(fā)電系統(tǒng)中的重要組成部分，是將風能轉(zhuǎn)化為機械能的重要的零件，直接關乎著風力發(fā)電系統(tǒng)的運行質(zhì)量與運行效率，基于此，設計人員在對葉片進行優(yōu)化時，需要充分考慮到葉片的材料、結構等內(nèi)容，為后期風力發(fā)電系統(tǒng)順利運行的打下堅實的基礎。

參考文獻：

[1]楊海如，馬祥禹，喻國銘，等.碳纖維復合材料風力發(fā)電機葉片振動特性研究[J].玻璃鋼/復合材料，2018，000（009）：70-74.

[2]吳彥波，黃有慧，張述強，等.后緣阻膠海綿在復合材料風電葉片上的應用效果研究[J].天津科技，，046（007）：33-35.

[3]柴紅梅，袁凌，李穎，等.復合材料風電葉片先進制造技術研究現(xiàn)狀[J].玻璃鋼/復合材料，，000（002）：102-107.

[4]郭振興，梁志偉.風電用新型樹脂基復合材料摩擦片實驗研究[J].機械工程師，2018，000（011）：84-86.

[5]喬小亮.風電葉片復合材料固化工藝優(yōu)化研究[J].中國化工貿(mào)易，2018，010（016）：61-61.

[6]曾旭升.大型復合材料風電葉片模具整體設計與制造技術[J].區(qū)域治理，2018，000（011）：222-222.

[7]張述強，吳彥波.復合材料風電葉片腹板型線測量及調(diào)整方法[J].天津科技，（7）：19-20.

（作者單位：美安士工業(yè)科技（上海）有限公司）