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6MW海上风电机组叶片设计

6MW海上风电机组叶片设计

技术 | Technology

6 MW海上风电机组叶片设计

刘强1,2,3 杨科1, 3 徐建中1, 3

1.中国科学院工程热物理研究所2.中国科学院研究生院

3.中国科学院风能利用重点实验室

1 引言

与陆地相比,海上风能资源具有风速更大、湍流度更低、风切变更小、风向更稳定的优点,从而使海上风电机组具有更大的输出功率和更好的疲劳特性。同时,海上风电场还具有靠近能源需求较大的沿海发达城市,海面可利用面积广阔,不存在土地占用等问题的优势。因此,海上风资源的开发利用受到世界各国,尤其是陆地面积相对较小的国家越来越多的重视。自20世纪90年代以来,丹麦、荷兰、英国、德国等风能技术发达的欧洲国家通过一些大型合作项目,如荷兰的DOWEC(Dutch Offshore Wind Energy Converter, 2000-2003)项目,丹麦的RECOFF(Recommendations for design of offshore wind turbines, 2001-2004)项目以及欧盟的Upwind项目等,对发展海上风电所需要解决的一系列关键问题进行了综合性的研究,并纷纷开始了海上风电场的建设。我国海岸线漫长,海上风资源十分丰富,而且我国的发达地区多位于东南沿海,因此,发展海上风电对于缓解我国的能源需求压力具有重要意义。

5 M和Multibrid M5000这两台5 MW风电机组投入运行之后, 10MW的巨型风电机组已成为世界各大风电公司和研究机构竞相研发的对象。同国外相比,我国的海上风电尚处于起步阶段,在大型海上风电机组自主研发方面仍与国外存在较大差距。目前,国内只有极少数公司通过收购国外公司,或引进国外技术获得了5 MW机组的生产能力,而迄今为止,国内尚未拥有具有自主知识产权的5 MW以上大型风电机组或相应的叶片。由于叶片是整个风电机组的核心部件,所以研究并掌握大型海上风电机组叶片的设计技术对于促进我国海上风电的发展具有重要意义。

2.2 大型叶片设计的新问题

风电机组的输出功率以及作用在风轮上的轴向推力与叶片长度近似成二次方关系,叶片重量与叶片长度近似成三次方关系,所以,随着风电机组的大型化,叶片长度、叶片重量和整机所承受的载荷将不断增加,从而给叶片的运输和安装带来非常大的困难。同时,由于整机载荷的提高,机组其他部件的成本也将有相应的增加。另外,由于现代大型风电机组叶片普遍采用细长结构,所以随着叶片长度的增加,叶片的刚度越来越小,柔性越来越大,叶尖变形和风电机组气动弹性问题将更加突出。

从2002年开始,美国Sandia实验室开展的WindPACT Blade System Design Study (BSDS)项目对1MW~10 MW风电机组叶片的设计制造等问题进行了较为全面的研究。研究结果表明:在靠近叶根的位置采用钝尾缘厚翼形,能够在维持良好的气动性能的同时,有效减轻叶片重量;叶片主承力件采用碳纤材料不仅能减轻叶片重量,还能提高叶片刚度,减少叶尖变形量,成本只有较少的增加。从图1可以看出,采用新的设计方法和材料以后,叶片质量随风轮半径的增长,速度得到了明显的减缓。

2 大型风电机组叶片研发背景

2.1 风电机组大型化趋势

风电机组的大型化有利于提高风能利用效率、减少塔架基础设施成本,从而降低风电总成本。因此,随着风电技术的发展,现代风电机组的单机功率不断增大,叶片长度不断增加。一台典型风电机组的功率已从1985年的100 kW发展到现在的1.5 MW ~3 MW。与陆地风电相比,海上风电一般都采用更大的风电机组。从2000年开始,欧洲的海上风电场已普遍采用了2 MW以上的大型风电机组,继Repower

56 风能 Wind Energy

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