低風速風電大葉片對整機的影響分析
2017年10月16日-19日，2017北京國際風能大會（CWP2017）在北京隆重召開。在中國國際展覽中心（新館）風電葉片大型化問題和技術專場，中車株洲電力機車研究所有限公司高級工程師，高級主任設計師王磊帶來低風速風
2017年10月16日-19日，2017北京國際風能大會（CWP2017）在北京隆重召開。在中國國際展覽中心（新館）“風電葉片大型化問題和技術”專場，中車株洲電力機車研究所有限公司高級工程師，高級主任設計師王磊帶來“低風速風電大葉片對整機的影響分析”的主旨演講。
以下為演講內容：
王磊：各位同仁，各位專家，大家上午好。
我今天給大家匯報的主題是風電大葉片對整機的影響，因為我本人來說是整機設計和開發這塊的工作，所以可能會更加傾向于整機一些，前面葉片相關的方面的一些考慮的話，前面兩位前輩和專家已經講過了，所以今天我重點內容就是整機方面的。
我的匯報分成三個部分，第一個就是我們長葉片對整機帶來的優勢和好處是什么？第二個整機廠可能考慮的方面，就是劣勢，整機方面帶來的影響，我們有什么解決方案。
首先對于長葉片對整機的優勢是顯而易見的，這個是投資方關注的，就是收益。
我們首先看一下，從時間軸上來看，2012年以前，我們風電行業大部分是1.5MW，到了2012年的時候主要2MW，到了2016年下半年，各個廠家逐漸推出了126，以及131這樣的級別，不過功率級別從2MW，現在逐漸升到了X。所以最終會討論到對整機的成本，也就是業主投資的收益問題，還有我們整機廠必須要考慮的利潤問題。
這是我們公司從最開始的長葉片到現在做研發的狀態，我們對葉片的發展性能大家很熟知的，但是這個東西大家太熟知了。我們可以看到，從最初的2兆瓦110，到現在130，單位兆瓦一直在持續增加，可適應的風量總級一直在增加，從最初的7.5米，到現在可開發的利潤點能夠達到5.5米的狀態，使超低風速的地區開發價值逐漸增高，使我們可以開發的地方逐漸多一些。
這是簡單的一些優勢，所以我大概地過了一下，我們重點來分析對整機的劣勢，對整機來說，隨著葉片長度增加，重量增加是顯而易見的，其次不管是重力載荷還是氣動載荷，還有噪音成本都是顯而易見的，這是下面重點分析的內容。
第一，隨著葉片長度增加，對整機帶來什么影響？
首先，剛才提到了我們的長度，隨著我的長度增加之后，我的風電機組的塔筒肯定要增加的，塔筒投資要增加的，整個要考慮整個風場的COE的時候要加入的，這個是有改變的。
第二個是凈空，一般來說大兆瓦的功率設計，設計都是按照IEC，對本身材料和工況都會有要求，所以對凈空有要求。
第三，如果整機不進行改變，噪音會增加的，噪音來自于什么？就是速度，如果葉片增加之后，轉速還是之前一樣的話，整個風能的噪音是會增加的，這個會有詳細介紹。
另外運速方面，在一些特殊方面，當你的葉片增加兩三米的話，就會出現很大問題，那我修路的成本也會增加的，最終也是在成本里面。
第二個就是重量，重量的增加，根據我們過往研究，它的葉根螺栓也要做很大，隨著研究深入，對也跟螺栓來說，對于重力，葉片擺放也會影響很大。
另外一方面，也是去年才逐漸意識到這個問題，以前很多技術是平臺技術延伸的。隨著風電葉片增加之后，葉片重量增加，或者風能重量增加更合理一些比如說輪轂本體，這都是重量主要原因。真正的重力FY、FZ對它的影響也是非常大的。
其次就是氣動載荷，大家可能很熟知了，會影響葉片的方向，直接影響塔架的設計，同樣的塔筒和部件都需要重點去載荷，去進行加載來滿足要求。
所以最終落到部件影響整個成本，保證風機20年質量壽命的成本，也是增加的。
通過前面的一些梳理，我們把葉片變長之后的劣勢梳理出來，一個是葉片變長帶來的，一個是塔筒增高帶來的，還有噪音增高和相應供應鏈帶來的。
首先，我們來看一下葉片變長對葉根螺栓的影響，這個從1千瓦的77，我們國內可能從這個級別走來，可能93以上的機組可能生命周期很短了，這個地方我們就只寫到了93。
然后從2兆的級別，121、121、130的級別，我們看到不同的葉片長度，質量增加和載荷的增加，都是向上走的，只不過有的我們看到的從105級別到116級別的時候，為什么有個別地方下降和平緩，是為了我們保證整機設計平臺的時候，我們是刻意設計降低的，風場能適應等級會更窄一點，但是是成本考慮。
所以我們后面計算就發現，隨著風輪直徑的增加，1的時候，我們的螺栓壽命就是20年，我的螺栓大部分的時候還是用扳手這個狀態，我需要涂抹相應的潤滑劑，來保證相應的扭動系數，這時候可能壽命遠遠達不到20年，可能五六年就會斷了，會與我們設計20年有偏差的。
但是這個項點對當前來說，因為葉片長度到了這個級別，這個重量肯定會增加的，所以這是很大風險在這里。
第二，葉片長度增加之后，轉速會下降。
首先，風能的葉片長度的增加，為了保持噪音保持現有的狀態，那我就要保持我的葉間的V達到80或者81，這時候我的R是增加的，我的風能轉速是要下降的，我要維持功率的輸出，我的額定力矩肯定要增加，整個傳動部件的需求就增加。那么對我的成本這個是會有增加的。
第二個，就是葉片性能這一塊的問題，剛才前面中材科技已經講過了，我大概提一下，因為風輪轉速，我們選擇的時候會選擇某個值來匹配，它的最佳的接觸比是有一個值在這里，如果我的葉片在做別的匹配，或者加長的時候，我還是要保證我的葉間長度不變，額定降低之后，我的轉速比會降低，葉片越長以后，風輪轉速就降低。
第三個例子，就是我們的葉片長度帶來的噪音，剛才前面兩位專家都已經提到了，我稍微提一下。這個是風工程那本書里摘抄的，雖然是不同年代里的，但是風的增加對葉片的增加都是線性增加的。
書上的理論和實際現場安裝做了對比，葉片的厚度，葉片后緣厚度噪音非常大，如果后緣厚度控制在物料需求里面，控制在比較均衡比較薄的時候，對整個機組噪音是有很大好處的。
所以這是一個前面帶來的問題舉的三個例子，當然后面會有相應的解決方案，進入第三個部分，針對這些重量、載荷、噪音，我們怎么解決它？
第一，降低葉片重量這一點，可能我們葉片廠會更加專業一些，比如說用碳纖維等，但是可能現在的碳纖維應用會在海上應用多一些，但是在陸上幾乎是還沒有用的，可能我們這個地方要考慮是什么？就是我整個風場的COE，我使用碳纖維長葉片之后，各種成本增加，但是對整機帶來很好的優勢。
另外一個，就是我要使用更優的翼型，大家都知道對于風電機組來說，就是簡單的二分之一力法，我要葉片增常的話，翼型可能要改變，整個風場和COE優化，這個是一種考慮方向，因為當我考慮增加的時候，這是可以選擇的一條道路。
第二個，就是載荷成本這方面，對于載荷來說，我們也不用說太多的點，因為風電發展了這么多年，各個部件載荷的性能，可能需要性能更好的葉片，可能我葉片濕度會大一點，載荷度大一點，性能和成本之間的矛盾點就需要找到一個平衡。
其次就是大家都在做的事情，就是我的控制參數，很多極端工況的時候，極限載荷會發現一些情況。葉片使用性能好、載荷優的設計，選用更優的控制參數，特定的控制策略，針對性的將在。
優化部件結構，使部件重量降低，部件承載能力不降低。
其次，新技術的應用，比如海上風機D128級別已經在應用的IPC，可應用目前D130，D141級別的陸上風機，整體成本最優。
第三個，就是噪音，噪音的話，因為為什么這個單獨點放在最后？其實這個問題我們公司是吃過這方面虧的，毫不避諱地講，早些年在南方的山區，這時候某些居民拆遷會遇到很大問題，這時候設計院和業主就會離居民很近，就會發現現場反饋回來，旁邊的雞都不下蛋了，這是現場人開玩笑反饋的。
后來我們做一系列的工作，國標那邊是有一個要求的，在十米高度的地方，我的噪音要小于110分貝，就是我們拿的鋸子在施工的狀態，要求對居民生活來說其實是很低的要求了，但是因為挨得太近了，晚上夜深人靜的時候就格外突出。
所以我們針對葉片的后緣，做了很多設計，最后發現噪音的降低還是非常明顯的。
這個風場的狀態還是不一樣的，之前我們去測了，確實超標了，然后在天上安裝之后，再進行測量，噪音下降很明顯，它可以降低中低頻的噪音。
同時這個點，我們從施工前后，對整個功率曲線的影響，基本上影響很小，或者我們看到沒有明確數據表示。
國外的，站在他們塔筒下面，沒有聽到很明顯氣動帶來的噪音，只是明顯的電氣部件，后來了解他們有低噪音的部件，但是我不知道國內應用是什么樣的。
第二，是后緣厚度的控制，降低運行過程中長期噪音。這個是持續運行的，降低是長期的噪音。
其次是剛才講的降噪的來源。
第四，就是風機機艙中的噪音源，比如我們的發動機，這時候它高轉速的時候帶來的噪音，以及齒輪嚙合的時候的噪音，這時候我們加隔音棉，盡量把聲音控制在密封艙里，對周圍環境影響降低。
好，我的匯報就是這些，謝謝大家。
責任編輯：lixin
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