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大型风轮叶片设计技术的现状与发展趋势

2009-01-17 来源:李军向 薛忠民 王继辉 冯宾春 浏览数:6999

 
    在未来的十几年里,有大量的叶片将会退役,退役后叶片的处理将是我们所面临的一个非常棘手的问题。目前使用的复合材料叶片属于热固性复合材料,很难自然降解。废弃物处理一般采用填埋或者燃烧等方法处理,基木上不再重新利用,易对环境造成影响,为此,人们开始积极研究开发“绿色叶片”-热塑性复合材料叶片[12]。爱尔兰Gaoth风能公司与日木三菱重工及美国Cyclics公司正在探讨如何共同研制低成本热塑性复合材料叶片。根据有关资料介绍,与环氧树脂/玻璃纤维复合材料大型叶片相比较,若采用热塑性复合材料叶片,每台大型风力发电机所用的叶片重量可降低10%,抗冲击性能大幅度提高,制造成本至少降低1/4,制造周期至少降低1/3,而且可完全回收和再利用。安全快捷地制造“绿色”的复合材料叶片正期待着复合材料叶片制造商去实现,Gaoth公司及其合作伙伴就是实现这一目标的先驱。
3.3叶片设计新的研发理念
    现在大型叶片的结构基本为蒙皮加主梁的形式,主梁为预先成型,然后粘接到叶片蒙皮。国外有设计公司提出叶片整体成型概念,意在打破蒙皮主梁的结构形式。
    丹麦LM公司提出了“Future Blade”的概念,且已在其54m和61.5m巨型叶片上使用了这种设计概念。LM公司研发部经理Frank V. Nielsen认为未来叶片设计的关键已从效率最大化转移到能量成本(COE)最优化,叶片将会更加细长,这种设计技术将会降低叶片载荷,叶片质量分布更加优化,材料成本将会降低,产品质量将更加得到保证。   
    今年三月,美国Knight&Carver的风电叶片公司成功开发了一种新型叶片STAR Blade[13]。这种具有创新性的叶片不同于当前使用的绝大部分叶片,是专门针对低风速区域设计的。这种叶片叶尖采用“柔性”设计理念进行设计,在外形上与传统叶片后缘线性变化不同,逐渐向后缘弯曲,降低了叶片风压和风机的驱动扭矩,并最大限度捕获所有可用风速范围内的风能,包括边缘的低风速区域,比传统的叶片捕风能力提高了5~10%。第一片该种叶片已经进行了静力测试,年内还将生产第二片。


    国内中材科技风电叶片股份有限公司研制的1.5 MW sinoma40.2m叶片已经成功下线,并在今年7月份通过了静力测试。该叶片采用新的“柔性、预弯”设计技术,针对国内风况设计,叶尖部分向上风向弯曲,叶片细长,柔性好,其整机载荷低于同类37.5m 1.5MW叶片。
4结语
    风电将在全球范围继续高速发展,国内、国外风电市场巨大,中国的目标是累计装机容量在2010年达到500万kW, 2020达到年3000万kW,这个目标将会提前实现,国内叶片市场将供不应求。按目前国内引进技术比较普遍的1.5MW叶片来计算,2006~2010年,需要叶片数为7000片左右,而20102020年之间,所需叶片数将为50000片,国内叶片市场巨大[14]
    叶片设计技术的发展将会为我们提供更加高效,低成本,高可靠性的叶片,国内叶片设计技术相对落后,目前MW级别上,叶片设计技术基本依赖进口,但该局面有望在未来的几年内逐步得到改观,完全依靠国内力量设计的叶片不久的将来会在国内风电场上空运转。

【延伸阅读】

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阅读上文 >> 复合材料风电叶片的发展现状及若干问题的对策
阅读下文 >> 水平轴风力机叶片的逆向设计与分析

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