低度电成本大叶片的边界寻优设计-北极星风力发电网

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2020年10月14日，中材科技风电叶片认证工程师丁惢在2020北京国际风能大会暨展览会（CWP 2020）上发表了关于“低度电成本大叶片的边界寻优设计”主题演讲。

以下为发言实录：

丁惢：各位同仁下午好，我从进入公司来说最先接触的是材料结构设计以及产品认证，然后做产品的开发，另外在最近这几年也有做气动相关的一些开发，所以我个人认为在设计开发方面我自己还是有些各方面模块的经验，因此在这里跟大家分享一下。

首先是评价的背景，这个是整个行业的背景，对于我们部件设计会引发什么样的输入和问题，基于这个背景情况我介绍了大型号的设计边界的巡游过程，当然也有其他的问题和考虑。

对于平价这件事情并不是国内的特性，在主要的风能区，中国占比是较少的，整体上来说在全世界主要的风能区，大家都是在走平价的趋势，平价不只是市场行为，可以看到根据数据，我们在跟火电相比情况下，风电成本是一直在下降的，其实在这一点上国际上的通用认可是因为技术的进步也极大的改变了性能。国内的抢装大家都比较熟悉了，市场需要评价，好的是技术也能推动平价，当然我们整个行业也希望实现平价。

我们在谈低度电成本的时候会有COE、LCOE，它到底是什么，我们整个风厂运行有运行成本，还有退役成本，每年对发电量进行对标，本身还是经济学的指标，对于叶片来说到底要考虑的，除了载荷重量、年发电量EP，还有时间，时间决定了我们还需要对可靠性、适应性以及风场环境影响带来的考虑。设计初期去考虑部件的过程，还需要考虑全使命周期运行，以及时间带来的运行方面和技术方面的影响。

基于叶片设计开发的问题，我们会有风带来的载荷，选取不同的异型，还有测试和结构的部分。首先输入、气动选择、气动设计、气动性能分析，对它进行性能迭代；其次会对于材料、工艺、结构进行设计，气动和结构进行迭代，和整机进行所谓的匹配，这个匹配当中得到叶片的疲劳载荷，对它进行校荷，这是我们常说的叶片结构设计和校荷，交互最多的是整机匹配迭代过程。

大家一直在喊平价的时候，我们要以什么样的原则，用部件跟整机匹配达到目的，所以流程当中还是以静空载荷作为首要要求。怎样实现部件的平价设计，最重要的是设计说明，设计与需求，设计与输入。怎么从这个角度提出叶片设计的目标，第一，作为一个多维度、多学科、多原则的设计过程，载荷的占比仍然是重要的，重量决定了叶片的成本，所以同样重要，还有怎么样把LCOE这个指标放到叶片设计里面来。

我们先考虑AEP和发电量，这是直接收入和成本的考虑，是有边界的，我们怎样去寻找这个边界，是我们设计当中做的工作。对于叶片来说材料成本是比较重要的，对于材料来说主梁的重量是最多的，其次是我们新材，还有后缘梁，他们相应的一些部件，以及对应的功能我就不详细说了，大家可能有一些了解。再来说AP，跟我们叶片最相关的几个点，第一，风参和减速比，动态CP乘以扫风面积，动态CP对应了扭转刚度，因为静态CP扭转刚度受到蒙皮设计的影响，这才是我提到说为什么蒙皮在重量上也不是大家能往下减重的部分。还有适应性和环境的考虑，我们在叶片气动外形开发过程当中，要从长度，动态CP，或者兼速比这些点去考虑，我们设定了目标值，大概做了24轮的迭代，可以看到比较有意思的规律，发电量当然有高有低，但在迭代过程当中它会趋于比较优的定值，在长度确定的情况下，重量的增加不会再带来发电量较大增加，但是需要提升重量来满足可靠性和安全性的要求，V04其实是用了假想的材料，有非常高的模量，给我们提供非常好的扭转刚度，这也是材料的方向。

载荷为什么重要？对于风轮来说成本组成方面，叶片占20%多，还有很多其他的东西，齿轮箱，变速器，硬件分布决定了重量水平和引起来的载荷，为了保证结构的安全性，在这个载荷水平下设计的叶片，影响了载荷，所以载荷占比更高，同时载荷是来源，来源的载荷会影响整个风轮的变相系统，在这种情况下，载荷的影响会更高。把载荷引进来，在这个比例下大家可以看到，发电量和重量当中，比较明晰的一条路线，肯定要去考虑载荷更优的设计方案。有一个小的边界供大家参考，如果大家把目标的载荷重量和发电量做三角形的话，比较满足刚才说到的规律，这个三角形虽然目标是等腰三角形，发现量已经趋优了，载荷和重量是有相应的比例关系的，通过这个方式知道在设计上存在这个边界，所以我们目标的平衡是整个开发过程非常关键的点。

当然有各种不同的边界，包括一款叶片可以用在多少不同的平台，它的兆瓦可以升到多少，跟时速瓦有关，还有噪声也跟转速有关，以及叶片要不要考虑模块化的组合，所谓的家族化设计，到底要变哪些东西，还有最近两年大家提的比较多的，粗糙之后的叶片它的性能到底下降多少，叶片安装之后前缘会发生不同程度的粗糙，直接影响就是年发电量，我们要做的是，根据不同长度叶片粗糙之后比例的研究。

除了刚才说到比较关键的几个指标：发电量，重量载荷，还有一些很多其他的考虑，还有就是风场运行，不同风场的影响，这个情况下叶片的交付也是比较关注的点，怎么样把叶片做成自动化、智能化，也是我们设计的时候需要同步考虑的点。下面简单展示一些图形，首先发散和振动，在整个开发过程中，确实也因为叶片的柔度比较低，变形比较大，遇到了发散的问题，另外就是我们国家的同一款叶片或者风机会遇到什么样的影响，我们要怎样提前考虑，也需要非常重视。

大家听到过的低粗糙，敏感性，高速度都是考验适应性的，还有新规范给我们带来很多好处，系数1.1，1.2，现在可以降到1.05，1.0，但是它对应的是做更多可靠性的分析较载，原来简化版的测试不能用了，新规范带来了技术灵活性的优势，也带来可靠验证的挑战。在设计之初怎样充分考虑产生制造效率和质量提升，中材这边有一些模块化的技术，时间是可以减少的，也希望提升部件的质量，这些不纯是工艺设计，我们怎么样在结构设计甚至外形设计的时候考虑到这些点，也是我们在大叶片平价的时候，考虑的重点。

最后自动化与智能化，怎样在设计的时候考虑自动铺层，在线灌注和拉挤，跟现阶段不太一样。目前我们面临了平价这个问题，对于叶片设计来说，通过大型型号的边界设计寻优，可以找到一定的思路和答案，但是也发现了更多问题。我的分享就到这里，谢谢大家！

（根据速记整理，未经本人审核）

非线性叶片部件屈曲分析

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低度电成本大叶片的边界寻优设计

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