從真正實現(xiàn)規(guī)?；l(fā)展的2006年算起，中國風(fēng)電行業(yè)已走過了十幾年的歷程，技術(shù)能力早已今非昔比。隨著風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展，風(fēng)電葉片的變革趨勢也越來越明顯，用一個字來形容就是“大”。無論是陸上風(fēng)電還是海上風(fēng)電，葉片尺寸均呈現(xiàn)越來越大的趨勢。
在即將平價上網(wǎng)的大背景下，采用大兆瓦風(fēng)機成為風(fēng)電降本增效的最有效途徑，而如何實現(xiàn)風(fēng)電高發(fā)電量、低成本和輕量化，成為業(yè)界關(guān)注的焦點問題。
業(yè)界人士普遍認(rèn)為，如何匹配大容量風(fēng)機的葉片，是行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。無論是風(fēng)電葉片設(shè)計，還是生產(chǎn)制造，只有做到精細(xì)化才能降低風(fēng)電成本。
葉片呈大型化輕量化趨勢
今年，中國海上風(fēng)電市場新增了7.25MW、8MW及10MW機組，陸上風(fēng)機最大容量將刷新至6MW。隨著風(fēng)機容量增大，被譽為風(fēng)機“靈魂”的葉片長度也隨之增長，目前世界最大的風(fēng)機葉片已經(jīng)刷新至107米。
國家發(fā)改委和國家能源局此前下發(fā)的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016-2030年）》（以下簡稱《計劃》）就提出，把高效葉片氣彈、輕量化結(jié)構(gòu)、新材料相結(jié)合的一體化設(shè)計技術(shù)和100米及以上風(fēng)電葉片列為未來風(fēng)電技術(shù)創(chuàng)新重點突破目標(biāo)；科技部今年發(fā)布的《2019年國家重點研發(fā)計劃重點專項項目申報指南》也提出，開展10MW級海上風(fēng)電機組樣機研制與檢測試驗技術(shù)、新型輕量超長柔性葉片技術(shù)、超長葉片一體化設(shè)計技術(shù)等研究。由此可見，國家已把超長風(fēng)電葉片列為風(fēng)電技術(shù)創(chuàng)新重點研發(fā)的目標(biāo)。
“機組大型化已成為風(fēng)電行業(yè)發(fā)展趨勢，未來五年，陸上風(fēng)機的風(fēng)輪直徑將超過200米。”明陽智慧能源集團股份公司風(fēng)能研究院副院長李軍向日前在“風(fēng)電葉片大型化技術(shù)論壇”上預(yù)測，風(fēng)電葉片大型化、輕量化、低成本是發(fā)展趨勢。
葉片大型化面臨諸多制約
“葉片終究是妥協(xié)的產(chǎn)物，妥協(xié)其實就是平衡。”李軍向認(rèn)為，葉片發(fā)展到今天，大型化方向已經(jīng)明朗。葉片長度越來越長，對材料類型與性能、氣動與結(jié)構(gòu)設(shè)計、制作工藝等要求更高，如何在葉片又大又輕中間找到平衡是關(guān)鍵。“在低成本、優(yōu)化設(shè)計（高效率）、降低制造難度的要求下，我們面臨著很多挑戰(zhàn)。”
首先是風(fēng)機葉片材料的約束。眾所周知，風(fēng)輪直徑的大小，直接取決于葉片的長短，而葉片長度在一定程度上決定風(fēng)電機組的發(fā)電水平及整機成本。目前，葉片成本約占風(fēng)機價格總成本的20%左右，葉片材料占葉片成本80%，甚至85%以上。“低成本的材料意味著低性能，所以葉片材料可選余地非常有限，包括全玻纖碳?；熹?、碳?；炀?span lang="EN-US">PS/SS單面碳?；?、全碳纖主梁等，只能有限選擇再做靈活性運用。”李軍向坦言。
維斯塔斯風(fēng)力有限公司技術(shù)專家孫樹偉也認(rèn)為：“未來風(fēng)電行業(yè)需要的葉片鋼度要大、強度要高、重量要輕。”他認(rèn)為，像當(dāng)年玻璃纖維代替金屬一樣，碳纖維葉片也將代替玻璃纖維葉片。相較于傳統(tǒng)的玻璃纖維葉片，碳纖維葉片的重量更輕，根據(jù)具體的設(shè)計翼型和長度，可降低葉片重量30%-50%。
但是，對國內(nèi)大部分廠家而言，碳纖維仍是昂貴的材料。“目前，平價時代的最高性價比選擇仍以玻璃纖維為主。在葉片中注入碳纖維成本高，工藝難度較大，生產(chǎn)碳纖維葉片尚存在一定難度。不過，我們也在研究碳纖維葉片。”上海艾郎風(fēng)電科技發(fā)展集團有限公司技術(shù)中心技術(shù)總監(jiān)助理劉華偉向記者坦言。
第二個挑戰(zhàn)是氣動和結(jié)構(gòu)的矛盾。越來越長將使葉片變形及重量增加，導(dǎo)致氣動效率降低，從而影響發(fā)電量。“而要取得風(fēng)機高發(fā)電量、高效率，翼型將更薄、需要更高的升阻比。所以，葉片終究是一個妥協(xié)的產(chǎn)物。在葉片又大又輕、低成本、制造難度等各種因素之間找到平衡。”李軍向表示。
李軍向介紹，葉片大型化面臨的另一個突出問題是氣彈問題。葉片長度在40-60米時，氣彈問題并不突出，甚至感覺不到其存在。當(dāng)葉片大型化以后，氣彈問題凸顯出來。從技術(shù)角度來看，氣彈問題有四方面影響因素：即剪切中心、質(zhì)心、流體附著、掃略。國內(nèi)對氣彈問題解決得并不好，很多時候直接略過去。“中國風(fēng)電行業(yè)要進一步發(fā)展，還需要大力加強氣彈方面的研究。”
精細(xì)化設(shè)計才能降成本
如何破解上述諸多挑戰(zhàn)，業(yè)界給出的答案是“精細(xì)化設(shè)計”。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，當(dāng)前葉片發(fā)展進入了一個新常態(tài)，高性能低成本的材料應(yīng)用越來越普遍。高性能低成本的材料、模塊化的結(jié)構(gòu)形式、差異化的剛度設(shè)計，以及精細(xì)化的強度校核，將成為未來葉片發(fā)展趨勢。
“葉片是一個非常系統(tǒng)性的工程，從前期的設(shè)計到中間的生產(chǎn)制造，以及后期葉片運維，涉及方方面面。一定要做到精細(xì)化設(shè)計，只有這樣才可能在低成本的情況下，把葉片做到輕量化。”李軍向說。
業(yè)內(nèi)人士預(yù)測，我國未來風(fēng)電葉片行業(yè)發(fā)展趨勢將由“群雄混戰(zhàn)”轉(zhuǎn)變?yōu)?span lang="EN-US">“幾強爭霸”，葉片競爭將向具備規(guī)模、技術(shù)、成本和效率的優(yōu)勢企業(yè)傾斜，我國風(fēng)電葉片產(chǎn)業(yè)未來將經(jīng)歷一場新的價值鏈重塑。