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分段式叶片商业化进展
尽管分段式叶片思想提出已经有30余年,早期也有学者做了一些实验研究,相当多的风电企业申请了分段叶片的相关专利,但是其商业化应用还是从近几年才开始的,且商业化型号也很有限。最早推出商业化分段式叶片机型的是德国Enercon公司,西班牙Gamesa公司紧随其后,INDEOL公司基本完成了分段式叶片商业化设计与强度测试,但尚未见装机报道。
Enercon分段式叶片风力机
德国Enercon公司于2007年率先在全球推出了其商业化分段式叶片风力机E-126,首台样机安装在德国的Emden风场,这款风力机根据风场条件可以满足6~7.5MW的额定功率要求[26]。截止到2012年7月,已经有35台风力机完成吊装[27]。该风力机轮毂高度为135m,叶轮直径为126m。
E-126风力机的分段式叶片(见图13)在叶片根部附近采用Enercon独特的叶片翼型,这种气动外形的设计能够最大限度地利用叶根附近的风能资源,增加风力机的发电量。叶片总长为59m,包括35m玻璃纤维/环氧复合材料叶尖段和24m的金属叶根段,叶根段由圆锥钢体和尾缘铝壳组成,圆锥钢体由圆锥壳体和内置焊接承载梁构成。叶片两段由21个M52的螺栓连接在一起。螺栓与金属根部段的连接容易实现,而螺栓叶尖段的连接方式尚未见报道。
E-126是首个将金属材料应用到超大型风力机叶片的风电机组,除了金属材料本身的可回收优点,金属材料根部在避雷、防火以及机舱散热方面对风力机性能也非常有利,还可以降低连接螺栓的载荷系数,减少螺栓的用量,弥补叶片连接的疲劳强度的不足。
Gamesa分段式叶片风力机
在开展Upwind项目研究的同时,西班牙Gam-esa的工程师也在同步进行商业化分段式叶片风力机开发,G-128风力机[28]在美国、日本和欧洲等100个经过认证的实验室完成了600多次实验,在西班牙可再生能源中心进行了190多次功能性和/或集成测试,完成了300000多小时的验证和工程测试。2008年底,在西班牙CabezoNegro实验风场完成了首台分段式叶片风力机样机的安装,并于2010年并网发电;2012年完成了4台G-128风力机在芬兰的商业化装机,并签署额外的135MW装机框架协议;2013年在西班牙Arinage风场安装首个海上风力机验证机型G128-5.0,中长期规划为海上7/8MW风力机。G-128是全球首个获得基于ISO14006/2011的TUV生态友好设计认证的风力机。该叶片总长为62.5m,叶根段长为30.5m,叶尖段长为32m,叶片运输能够在2MW叶片条件下实现。两段主体均由玻璃纤维/环氧复合材料制造,在连接部位,采用碳纤维预制楔形条,将金属螺栓预埋在形条中,嵌入的螺栓等同于双搭接胶接连接,在设计时参考了航空工业规范,所有的载荷通过螺栓传递,在螺栓功能准确实现中,采用自动化安装和嵌入,避免人为因素的不利影响。叶片在上下表面采用相同的15个螺栓连接,在安装螺栓时采用预紧传感器,使得预紧力载荷误差控制在1%以内,在裸露的外侧使用盖板密封,保障了叶片气动外形的一致性。通过叶片材料、结构、成本的优化设计,G-128风力机分段式叶片比整体叶片成本仅增加10%。
INDEOL分段式叶片
INDEOL公司是西班牙低成本电力技术与应用企业,近年发展了一款针对商业叶片的分段式风力机叶片(见图7)[29],该分段叶片的连接设计采用预埋连接片单元的连接方式。根据IEC规范完成了5MW分段式叶片连接结构强度校核,参考GL规范,2012年7月完成全尺寸结构测试。预测叶片成本增加不超过10%,基于商业保密考虑,具体数据尚没有完全公布。
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