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科技新锐|李成良:与“叶片”乘风共舞

2022-10-17 来源:中国建材杂志 浏览数:3272

本期,我们一起来看中材科技风电叶片股份有限公司研发总监李成良与“风”的故事。

   科技新锐

近年来,建材行业涌现出许多杰出的科技工作者,他们为了行业进步攻坚克难,在科技攀登的路上挥洒热情与汗水;他们的成果涉及到行业内各细分领域,为推动行业各领域节能降耗、绿色低碳发展、安全高质量发展起到了推动作用,为建材行业向着“宜业尚品、造福人类”目标迈进作出了贡献。

本刊特开设《科技新锐》栏目,报道、展示他们在科技工作中的风采,欢迎读者朋友共同关注。本期,我们一起来看中材科技风电叶片股份有限公司研发总监李成良与“风”的故事。

李成良

与“叶片”乘风共舞‍

“天苍苍,野茫茫,风吹草低见牛羊”,曾是美丽草原风光的真实写照。今天“风机立、叶片舞,风场发电忙”,在中材科技风电叶片股份有限公司(简称“中材叶片”)研发总监李成良眼里,弥山跨谷的风机正将大自然的无私馈赠,源源不断地变成能源转型的绿色动力。

01

与风共舞

2007年,也是《中华人民共和国可再生能源法》颁布2年后,中国风电发展进入大规模开发应用阶段。此时,中材叶片与国外公司联合开发的第一款1.5MW叶片——Sinoma40.2成功下线。这是全球首个适用于年平均风速为7.5米/秒的III类低风速区叶片,一经面世立刻获得众多主机厂的青睐。

风机舞动虽美,但也带着“镣铐”—— 这款产品几乎所有材料都是从国外进口,且单支叶片重达6.2吨……

2007年,李成良正在武汉理工大学复合材料专业读硕士研究生,同时对风电叶片的设计开发产生了浓厚兴趣。他不仅跟随师兄参与风电叶片的设计项目,硕士课题也是关于大型风电叶片的结构设计与校核分析。2009年3月,研究生毕业后,李成良来到中材叶片设计部工作,开始了与叶片为伴、“与风共舞”的日子。

设计部刚成立不久,团队成员大多是刚从高校毕业,对叶片设计开发没有太多经验。李成良不分昼夜地学习风电叶片的相关知识,常翻阅老一辈风能人撰写和翻译的国内外专业书刊,并虚心求教。前辈们的言传身教,倾囊相授,也不断激励着年轻人笃实向前。李成良继承了前辈们重视学习实践和严谨的科研作风,扎实基础,不断进取。

“那时感觉做叶片设计特别有意思,在开展新方案迭代设计时几乎每天都做到凌晨两三点,连续几天也不觉得累。”他至今仍记得独自完成的第一个项目,“那时没有叶片结构分析设计软件,仅凭在读研究生时自己编的程序,用了10个月时间完成了Sinoma31-1.0MW的自主设计。”

加入设计部1年后,技术、团队、经验等各方面条件愈加成熟。2010年年底,李成良带领团队从材料、结构和试验等几个方面对Sinoma40.2的核心技术进行全面消化吸收和分析校核研究。他发现,可以将原有的双梁双副板,改成单梁双副板,利用几何刚度特性为其“瘦身”,同时借助“863”国家高技术研究发展计划“MW级风力发电机组风轮叶片原材料国产化”项目,大胆带领团队开展叶片用关键原材料的国产化开发及产业化模式的探索。

功夫不负有心人,由李成良团队改进后的Sinoma40.2重量由原来6.2吨降低至5.9吨,并率先在行业实现了国产材料完全替代进口材料,综合成本降低10%以上。此后,Sinoma40.2一度成为2007年到2012年中材叶片历史上最畅销的产品,助力中材叶片在市场上站稳脚步,一跃成为国内头部企业。

自此,李成良带领团队开启了自主设计模式,打通了叶片设计开发全流程,为中国叶片行业增添了底气。

02

迎风而上

低风速区一般是指风速在6米/秒~8米/秒之间的风资源区,据统计,我国可利用的低风速资源面积约占全国风能资源区的68%。低风速区相比高风速地区更接近电网负荷的受用端地区,无“弃风”之虞,机组基本都可满发。但在低风速区建设风电项目,为获取更大的捕风量,所需叶片的尺寸更长、重量更重,给轴承、塔筒、传动部件的载荷和负担也就更大。为此,当叶片长度增加的同时保证风机运转的稳定性和发电效率的提升一度成为业内需要解决的难题。

为攻克低风速区大叶片设计核心技术,李成良带领团队开启叶片完全自主设计研发模式。经过10个月不懈努力,终于于2011年9月将1.5MW叶片的适用风区进一步降到6.5米/秒,并在项目实施过程中,全球首创了叶片最优风能利用率覆盖最宽风速区间方法,提出基于遗传算法的气动和结构多目标自动寻优设计理论,实现低风速区发电量最大化的低载荷传递,解决同平台机组匹配更大叶轮问题,突破了国产化原材料仅在叶片局部使用的局限,成功实现了国产原材料体系在风电叶片中的大规模应用。他带领团队自主开发了“叶片长度设计”程序,通过大量风场数据计算,该叶片的长度被精确定义到45.17米,叶片型号被命名为“Sinoma45.2”。

为加快叶片设计迭代,减少复杂的叶片三维模型建模时间,李成良还指导团队实现了叶片外形设计与Catia软件的二次开发,完成了“叶片三维建模”软件的开发与应用,大大提升了叶片外形设计效率。为实现叶片与主机最优设计,他曾连续两个月与客户吃住在一起,终于在同年年底完成所有设计。

2012年3月,首支Sinoma45.2叶片成功下线,在德国DEWI-OCC认证机构和主机厂见证下,叶片顺利通过了全尺寸静力试验,并于4月30日在安徽来安风电场成功并网发电。同年10月,该款产品获得了完全自主设计叶片的首个国际认证——DEWI-OCC认证。这标志着中材叶片继2010年推出自主开发的Sinoma42.2低风速叶片之后,向超低风速叶片技术领域挺进并再次取得突破,为低风速风区打开了一个新的开阔市场空间,是全球第一台1.5兆瓦93米风轮直径的超低风速机组。

为更好地检验叶片性能,李成良带领团队突破了疲劳测试中一系列技术难题后,于2013年5月30日,完成两个方向400万次的疲劳试验,并获得了北京鉴衡认证中心的认可,成为国内首个能够自主完成大叶片疲劳测试的叶片制造商。

Sinoma45.2的成功开发,赢得了风电业主和主机厂的广泛认可,截止到2016年实现销售收入超过20亿元。在此基础上,中材叶片于2013~2017年又成功开发了多款超低风速叶片:1.6MW-Sinoma50.4、1.8MW-Sinoma51.9、2.0MW-Sinoma50.2/56.8、2.5MW-Sinoma59.5/63.5和3.0MW-Sinoma68.6.将叶片适应风区进一步降低到年平均风速5.5米/秒以下,实现了低风速区、超低风速区产品的全覆盖,满足了各种风资源环境需求。

03

乘风破浪

2016年,市场上的主流风电叶片长度在50米左右、重量在10吨以内,受设计、材料、制造等多方因素限制,产品成型周期普遍为48小时。

“质量要更加可控,成本要更低,具有更高性价比,这是面临的形势和挑战,如果不能适应市场和行业发展的需求,企业很可能被市场淘汰。”随着对产品设计开发实现过程中认识和理解的提升,李成良意识到在解决设计和工艺问题时要从不同维度思考与处理问题。“研发结合生产,生产反馈设计;设计易于制造,创新驱动未来;要通过‘集成创新设计+柔性智能制造’设计出易于制造的叶片。”为此,他带领团队进行了风电叶片模块化设计、原材料套裁优化和专属自动化设备开发,实现了60米级以上、20吨重量风电叶片产品24小时的成型周期。

针对95%以上大型叶片采用的叶根预埋螺套连接承载低、结构复杂和成本高等问题,李成良带领团队通过2年时间的努力,攻克了结构设计、工艺设计、测试验证等技术难题,最终形成了具有自主知识产权的一体化曲面随型件叶根预埋连接技术,同时发明背靠背测试方法破解了试验件动态不平衡难题,提出一套仿真和实验交互验证的界面强度分析理论,静力和疲劳承载能力比引进技术高出40%和23%,通过了DNVGL和TUV权威认证,获得国内首个部件认证。该技术先后被成功应用于Sinoma68.6、Sinoma76.5、Sinoma80.8、Sinoma83.6、 Sinoma85.8、及Sinoma90等几十款叶片,实现了国内风电叶片在叶根预埋连接技术上的首次突破,打破了国外技术的垄断。

随着风电技术的不断进步,单机功率越来越大,海上叶片不断向大型化方向发展。“20多年过去了,风电行业‘一个机型打天下’的时代早已不复存在。‘十四五’期间,风电机组多品种、定制化的趋势愈加明显,叶片开发也要适应市场变化,做好定制化设计。”李成良表示,海上环境对叶片防护、寿命的要求高,随着叶片长度增加还会带来一些新问题。

为解决海上叶片大型化与轻量化矛盾,李成良带领团队通过对碳纤维预浸料真空成型和碳纤维织物液体成型技术研究,确定了碳纤维预浸料评价技术标准,攻克了碳纤维铺放的工艺难题,完成了固化工艺、材料匹配及配套辅助材料的研究,成功解决了碳纤维在大型风电叶片上结构设计、工艺验证、质量控制及批量应用等关键技术问题。

Sinoma75-6.7MW海上抗台风型大叶片从来自海内外33家企业的42件参选产品中脱颖而出,荣获第二十四届“中国复材展-JEC”优秀创新产品奖,该产品于2017年完成开发,是国内首个自主开发的海上抗台风大叶片,也是同期海上功率最高风轮最大的叶片,首次采用碳纤维主梁真空灌注成型工艺,开创了国产碳纤维应用新方向。

他还带领团队率先将低成本可回收芯材PET替代PVC和进口轻木、快干型水性涂料替代油性涂料,推动了叶片制造的“绿色发展”。李成良作为专业标准技术委员,带领团队参编的IEC 61400-5首个叶片标准已经颁布实施,他作为技术骨干主持或参与多项国家科技项目,获省部级科技奖8项,发表论文30余篇,获授权专利27项。

进入风电平价新时代,叶片面临着更大的成本和技术压力,李成良正带领团队进行百米级叶片开发的挑战。

“任何技术发展都是一项长跑,要勇于创新,创新是企业的核心,没有创新企业就失去了竞争力,特别是冲在科研一线的工程师,要敢于突破固有思维,敢于挑战科技权威,敢于打破技术垄断,要有敢于冲击世界一流的领跑精神。这些年,叶片给我带来了很多东西,它带我走过祖国的高山、滩涂、草原、峡谷……”望着草原上飞旋的叶片,李成良感慨地说:“自己就像叶片中的一员,与叶片一起乘风共舞,在叶片研发的路上,飞得更高……”

本刊记者 / 李媛

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