1.3　风力机叶片

1.3.1　叶片设计技术的发展

风力机叶片设计技术是风力机组的核心技术。叶片要求具有高效的专用翼型，合理的安装角，优化的升阻比、叶尖速比和叶片扭角分布等；有合理的结构、先进的复合材料和制造工艺；要保证质量轻、结构强度高、抗疲劳、耐候性好、成本低、易安装、方便维修、运输可靠安全等。下面主要从气动设计、结构设计与材料工艺三方面简要介绍叶片技术的发展历程，具体内容将会在后续章节中详细阐述。

1.3.1.1　叶片气动设计技术

风力机气动理论是在机翼气动理论基础上发展而来的。19世纪20年代一些著名的气动学家Betz、Schmitz、Glauert、Wilson等在机翼理论的基础上发展了风轮气动理论，包括动量叶素理论和涡尾迹理论。这些理论被广泛用于风力机叶片气动性能的计算，但由于存在着一定的局限性，在实际应用中不断地被修正完善。随着计算机技术的发展，计算流体力学方法（CFD）在风力机气动性能数值模拟方面越来越受到重视。CFD方法由传统的二维动量叶素理论方法发展到现在的求解三维N-S方程的全湍流计算方法。但目前还没有一种有效的模型能胜任所有翼型的气动性能计算，而且翼型静态和动态失速的计算结果与实验还存在着差距。

航空翼型具有最大升力系数高、桨距动量低和最小阻力系数低等特点，因此普遍应用于早期的水平轴风机叶片。但是一旦这些翼型前缘由于污染变得粗糙，会导致翼型性能大幅度下降。随着风电设备的发展，机组对叶片性能要求也不断提高，传统的航空翼型已经不适用于设计高性能的叶片，因此美国、瑞典和丹麦等国家开始着手开发_专用的风机翼型。例如美国的Seri和NREL系列、丹麦的RISO-A系列、瑞典的FFA W系列和荷兰的DU系列。这些翼型各有优势，大型风机越来越多地采用专用翼型叶片的设计方案。但是由于空气动力的复杂性，叶片外形的精确设计非常困难。最佳叶片翼型基本都是在梯形叶片的基础上，考虑叶尖速比、雷诺数和升阻比的关系对叶片外形进行优化。相关的设计方法仍需深入地研究，叶片翼型的改进还有很大的发展空间。

1.3.1.2　叶片结构设计与材料技术

从总体上看，叶片结构型式的发展经历了从实心结构到空心结构，从直叶片到弯叶片的发展过程。到目前为止，小型叶片很多采用实心结构，大部分由玻璃钢壳体加轻质填充材料组成。对于中型和大型风机叶片，为了尽可能减少叶片的材料用量，通常采用空心的梁—壳结构型式。为了增大叶尖与塔架的间隙，提高叶片的安全性能，现在的大型商用叶片开始采用预弯形式，且以I型梁结构型式居多。随着技术的进步，新思想的出现，尤其是出于对功率、载荷和噪声方面的考虑，一些新型结构型式的叶片不断涌现。

风机叶片材料的强度和刚度是风力机组性能优劣的关键。随着叶片技术和材料科学的发展，叶片的材料也不断进步，从最初的木制叶片及布蒙皮叶片开始，经历了钢梁玻璃纤维蒙皮叶片、铝合金叶片、玻璃钢叶片到玻璃钢复合材料叶片的过程。玻璃钢复合材料因其重量轻、比强度高、可设计性强等特点，开始成为大中型风机叶片材料的主流。然而，随着风机叶片朝着超大型化和轻量化的方向发展，玻璃钢复合材料也开始达到了其使用性能的极限，碳纤维复合材料逐渐应用到超大型风机叶片中。此外，一些复合材料公司已开始研发清洁环保的绿色叶片。

1.3.1.3　叶片制作工艺

叶片制造工艺经历了从手糊成型到真空灌注成型，从开模成型到闭模成型的过程。小型风力机叶片的加工以手糊工艺为主，大部分采用木制材料，外包玻璃纤维布。大型风力机叶片采用的工艺目前主要有两种，开模手工铺层和闭模真空灌注。用预浸料开模手工铺层工艺是最简单、最原始的工艺，不需要昂贵的工装设备，但效率比较低，质量不够稳定，通常只用于生产叶片长度比较短和数量比较小的时候。闭模真空灌注技术效率高、成本低、质量好，因此被很多叶片生产厂商所采用。

1.3.1.4　叶片存在的主要问题

虽然设计技术已日趋完善但随着，风力机向大型化发展，叶片尺寸不断增大，叶片在生产、运输、运行维修等方面仍存在着不少问题，如果这些问题处理不善将导致的后果是叶片腐蚀、开裂甚至断裂。

1.生产问题

国外叶片制造企业由于长期的发展累积，无论在技术还是在质量保证方面都有比较完善的体系，因此在质量控制方面比较出色。而国内企业大多数都处于刚起步阶段，其中相当一部分企业都是直接购买国外设计图纸进行生产，无论在技术还是在质量体系方面都还需要一段时间的完善。个别企业为了追求更高的利润，擅自更改生产工艺，例如，以减小叶片叶根直径的方式来减少轮毂和叶片的成本或者选择价格便宜的劣质原材料生产叶片等，造成叶片强度不够，易出现致命的缺陷。

在叶片制造过程中，有很多特殊和关键的过程（纤维铺设、树脂固化、胶结、表面涂装等），在这些过程中要严格按照特殊工序和关键工序的要求以保证叶片质量。

采用真空灌注技术制造大尺寸复合材料叶片时，由于吸胶注胶的过程时间较长，如控制不好很容易出现树脂未注完即凝胶的现象。另外在用胶量较大时，桶中配好的胶液还可能发生爆聚。为防止此类情况发生，可考虑设计一种树脂和固化剂的混合装置，吸注前树脂和固化剂分别在不同的容器内，吸注时树脂与固化剂实时混合实时吸注，从而可避免爆聚和过快凝胶，即增加了生产安全性，同时也节省了原材料的用量。

此外，在叶片的生产过程中，由于模具尺寸巨大，一般无法采用烘箱等传统的外部加热方式对其进行升温固化，生产只能在室温下进行，这就造成叶片固化周期较长，难以进行较连续化的生产。解决办法是将叶片在模具上基本成型后即脱模，然后在室外利用光照进行后固化处理。但这种方式也有其先天不足，生产受制于天气并且制品脱模前存在模具中的时间较长，影响生产效率。为此，可考虑在模具中内置热源，如铺设流体加热管路或电热布等，通过内置热源对模具的加热来实现叶片的快速固化，从而实现不受自然条件制约的、可连续进行的生产。

2.运输问题

目前，风力机叶片都是采用整体模具生产的，这种模具尺寸、重量巨大，叶片生产只能在生产基地进行。随着叶片的大型化发展，其运输问题日益突出：一方面，出于安全考虑，世界各国铁路、公路管理部门对运载货物的长度、高度等都进行了限制，叶片长达几十米，容易超出限制范围；另一方面，很多风电场位置偏远、交通不便，建造风电场时大型叶片运输成本非常高昂，有些地区甚至根本无法送达。因此，长途运输问题已经越来越成为制约风电发展的一个瓶颈。

在这方面，可以考虑采用把风力机叶片成型模具设计成可拆装、易运输的组合模具，然后把模具、工装、重要部件和原材料运抵风电场附近，快速搭建简易工房，在风电场现场进行叶片制造；另一种思路就是采用组合叶片，即把叶片分成几段来制造，使其尺寸在公路运输最大许可范围内，运送到风电场后再进行叶片的组装，但这种构想能否在实践中应用还有待实验验证，目前尚未有这方面的报道。

3.运行维护问题

在风力机的日常运行维护中，叶片往往得不到重视。但叶片的老化现象却在阳光、酸雨、狂风、自振、风沙、盐雾等不利的条件下随着时间的变化而发生着变化。一旦发现问题，就意味着已非常严重。在许多风场，叶片都会因为老化而出现自然开裂、沙眼、表面磨损、雷击损坏、横向裂纹等问题。此外，当风力机变桨系统出现故障，刹车不会使叶轮停止转动，叶片出现失控，继续快速旋转，严重时会导致叶片撞击塔架或抛出，造成灾难性事故。针对这些问题，如果日常维护到位，就可以避免高额的维修费用、减少停机造成的经济损失。

对于防雷问题，可在叶尖附近放置接闪器，通过导线相连，把雷击的电流引到叶根，从而提高叶片在雷击下的生存能力。对于裂缝问题，一旦发现裂缝应及时报告，以保证它在变成大问题之前及时修复。对于腐蚀问题，可使用耐腐蚀的保护带进行防护。

4.退役处理问题

风力发电是可持续的产业之一，但目前使用的复合材料叶片则属于不可回收材料，这已成为复合材料叶片最大的隐忧。采用热固性树脂生产的复合材料叶片，一般仅仅是在露天堆放，或采用物理粉碎、化学分解、生物降解等方法进行处理，目前的工艺水平难以对其回收再利用，随着风力机叶片的尺寸越来越大，数量激增，这些叶片退役后给环境造成的影响不可忽视。

针对这一问题，一种解决方式是对叶片的增强材料进行改进，如采用生物质材料，即采用竹材与树脂复合，通过积层制作叶片。另一种解决方式是发展可回收利用的热塑性复合材料叶片，在叶片退役之后进行材料的重复利用。目前已有公司开始研发上述叶片，但这种“绿色叶片”能否在大型风力机上获得广泛应用还有待验证。

5.其他问题

总体上看风力发电的形势一片大好，但也有反对的声音存在，如某些动物保护主义者认为风力机会危及一些动物的生存；风电场附近居民长期受到运转叶片噪声和投影的影响。应该指出的是，任何一种新兴技术都不是完美无缺的，都可能存在瑕疵，风力发电总体上来说是利大于弊的。在这个问题上，风电场投资者和设计者需要进行更加完善的宏观和微观选址，在降低环境影响的同时，保证较好的经济效益。

1.3.2　风力机叶片发展趋势

随着风电产业的持续发展，风力发电由陆地转向海洋，因此，风力机机组高容量与叶片的大尺寸化和新造型化已是必然的发展趋势，这就进一步要求叶片材料选用、结构设计、成型工艺的创新与改进。

1.3.2.1　风电由陆地转向海洋

一般来说，基于综合制造、吊装等因素，单机容量越大，风力机单位千瓦的造价就越低。基于经济效益的优势，风力机单机容量将朝更大方向发展。特别是在海上风电领域，大型化机型更加适应海上风电发展的需要。

受陆上土地资源限制，未来风能技术发展的主要驱动力将来自蓬勃崛起的海上风电。海上风电开发的潜力巨大，可开发量是陆上风电的3倍，与陆上风电相比具有风速高且稳定、年利用小时数高、不占陆地面积、对环境影响小、靠近电网负荷中心等特点。但其开发难度要远大于陆上风电，从技术上看，陆上风电技术日趋成熟，而海上风电技术相对落后。加之海洋环境复杂，高盐雾浓度、台风、海浪等恶劣的自然条件均对海上风力机运行提出了严峻挑战。因此，海上风电对风电机组的安全性、可靠性、易维护性和施工成本控制提出了更高的要求。

1.3.2.2　增强叶片可靠性

随着风力机朝着大型化发展，叶片的长度将变得更长，为使叶片在旋转过程中叶尖不与塔架发生碰撞，改进设计的主要思路是增加叶片的刚度。主要做法是在长度大于50m的叶片上广泛使用强化碳纤维以增加其刚度。与此同时，叶片预弯设计越来越成为抗撞击主流设计方法。

由于叶片的疲劳破坏是其主要的破坏方式，因此，为了在叶片结构上的裂纹发展成致命损坏之前或风力机整机损坏之前警示风场操作人员，必须在风力机叶片上安装状况检测设备。

1.3.2.3　优化叶片气动外形

提升叶片气动外形的前提是不断优化风力机专用翼型的气动性能和开发翼型数据库。早期风力机叶片设计时首选的是发展比较成熟、升阻特性较好的传统航空翼型，但实践表明这些翼型并不能很好地满足设计和使用要求，如对于失速风力机，在失速区产生了过高的峰值能量和峰值载荷，不仅损坏了发电机，而且加重了叶片载荷，降低了叶片的使用寿命。同时，由于风力机长期在野外工作，受沙尘、雨滴和昆虫污染等影响，叶片表面粗糙度增加，翼型性能恶化导致的能量损失可达到20%～30%。目前国外已发展了多个系列的风力机专用翼型，新翼型不但提高了风能利用效率，而且减轻了结构重量，降低了疲劳载荷，已成为研制大型高效低成本风力机的重要技术基础。我国对风力机叶片翼型的气动性能研究较晚，翼型的几何和气动力性能数据缺乏，因而直接影响了我国大型风力机自主设计水平。

除了对风力机叶片翼型进行优化外，诸如压电材料一类的智能材料将被使用在叶片上，以使其气动外形能够快速变化，并在额定风速下实现风能的最大化利用，在额定风速以上和阵风状况下快速卸载，避免结构破坏。与此同时，叶片也应进一步提升降噪特性，降低对环境生态的不利影响。

1.3.2.4　提升叶片自适应能力

随着叶片尺寸的增加，其柔性特征越来越明显。在空气动力的作用下会产生弹性变形，而结构的变形会产生附加的气动力，附加的气动力反过来又会使弹性体产生附加的变形。这种相互的耦合会导致两种结果：①弹性体逐渐达到平衡状态；②使结构振动发散导致破坏。

为使叶片在不利的气动载荷下能有效地卸载，提升叶片的自适应能力，可以通过材料的选择和气弹剪裁设计来实现。

1.3.2.5　绿色环保叶片研发

废旧破损及退役的复合材料玻璃钢叶片一般是不易分解和燃烧的。2004年，欧盟通过相关法律，禁止填埋碳纤维复合材料。根据现在风力机叶片生产速度可推测，在2034年左右，每年约有225000t重的废旧叶片生成。因此，若不对现有的风力机叶片生产工艺进行调整，风力机叶片垃圾将会再次成为“白色污染”，且要花费巨大的人力物力进行处理。近年来，学者和研究机构已经开始积极探寻低成本、可回收利用的绿色环保叶片。