面向未来的新型叶片

1 纤长型叶片

  虽然更长更纤细的风机叶片投入使用的时间仅有区区数年,但这种产品已经成为风力设备制造产业的一大趋势。纤细修长的叶片一方面可以推动风机产出更高的电能,一方面可以减轻叶轮和发电机所承受的重量负荷,延长设备使用寿命从而降低因为设备折旧而增加的风力能源成本。由于风机使用了细长的叶片可以实现在低风速条件下发电,它们的年度风电产能也得到了提高。长叶片甚至可以提高风机为电网输送基载电量的能力,从而提高电网中输电电缆和变压器的使用率。
  目前已经向市场提供纤长型叶片的公司包括维斯塔斯、西门子、Nordex、艾尔姆(LM)和Enercon。西门子的75米B75型叶片长度目前屈一指,打破了LM叶片在2011年创下的73.5米的长度记录。

  纤长型叶片有一个重要的特征就是它的桨叶宽度与叶片总长相对比较窄。而且,随着叶片长度的增加,叶片强度和硬度也需要相应增加以避免叶片在高风力负荷作用下扭曲变形甚至扫到塔筒。这正在成为一项难度日益增大的挑战。
  除了使用昂贵的碳纤维材料,风机叶片制造商探究了通过延长相对粗圆的叶片根端的办法来提高叶片整体的强度。但是,一根圆柱体在空气中挥过时产生的阻力多于空气推力,补救这个缺陷的方法是加装一个扰流装置模仿桨叶作用提高空气升力。Vortex风机上采用的安装在桨叶根部的多组小型副翼就可以提高叶片的工作性能。

2 热塑性叶片

  荷兰德尔福特理工大学风力工程教授杰拉德・范・布赛尔研究的方向是采用热塑材料(thermoplastic materials)制造超长型风机叶片。他介绍说:“与热成型复合材料相比,热塑材料有诸多优点,包括可以实现模块化系列生产,而且各个部分之间可以融接在一起等等。但缺点是,热塑料树脂和纤维之间如果黏合剂强度不够就会造成负荷承载和传递能力不足的问题。在这些问题解决之前,大规模的商业运用目前看来仍是远景。”

3 智能型叶片

  德尔福特大学的研究人员正通过国际合作设法为提高风能输出找到一种“聪明”的解决方案。其中一种想法是利用记忆材料为桨叶的尾边制作一种类似于蹼的装置,并加装压电传感控制单元。
  在高风速等强负荷条件下,记忆材料可以使叶片的相关部位临时变形。压力传感装置可以在动态情况下随时感知机械压力的变化。压电传感装置在通电后与风机叶片的相关部位相联,就可以随时按照需要发挥姿态控制的作用。
  这些解决方案目前都处于实验室研究阶段。科研人员的出发点并不是要取代现在流行的叶片变桨控制技术,而在于提供一种新的技术支持手段。

4 分段式叶片

  包括长达75米的叶片在内的绝大多数产品都采用整体成型技术生产。目前只有歌美飒和Enercon采用了分段制造技术为各自功率大的风机制造叶片。美国加利福尼亚的模块风能(ModularWind Energy)公司也生产一种叶片总长45米,可以分成长度分别为15米的三段分装运输。
  总部位于美国的叶片动力公司(Blade Dynamics)由AMSC部分控股,它也生产分段型叶片。这种正在申请的叶片制造以小型组件为单位进行,运输中分成两段运输。公司发言人博塔宣称这种模块化生产技术可以大幅度提高产品质量和性能。设计创新的重点在于轻型的叶片根端连接装置和模块化生产的翼梁结合技术。这种叶片重量很轻,因而产生的机械负荷与类似产品比也很低:D49型叶片的负荷值是6吨,而同类竞争产品的该技术指标是8吨。
  博塔说:“运用了降低负荷和减轻重量技术的2兆瓦AMSC风机可以不经任何风机规格改造就将叶轮直径从常规的93米提高到100米。更重要的是,这种新风机每年产能可以提高6.12%,可以明显地提高经济效益。”