分段式风电叶片研究进展和发展趋势

胶接连接分段叶片

胶接连接(见图6)是采用复合材料基体材料或粘接剂将相邻的两叶片段连接在一起的方法,由于叶片复合材料铺层在分段位置较厚,存在粘接面积较大､不易现场施工以及难以保障气动外形的劣势,这限制了其在分段叶片上的应用｡同时,分段叶片在分段连接局部增加了复合材料铺层厚度,采用内置箱形梁连接叶片梁帽,复合材料棒材连接叶片壳体,其连接体与分段式叶片主体采用结构胶和树脂的胶接完成[25]｡从胶接结构来看,分段面附近复合材料铺层较厚,简单的搭接连接强度较低;从工艺实施方面,叶片内腔体的操作难度较大,难以控制粘接层的厚度､气泡､缺胶等缺陷,胶接质量难以保证｡

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｡