【速记】2017风电叶片复合材料——基于风场特性的风电机组电量提升技术研发

　　各位风电行业的前辈、同事，非常荣幸我能在这儿代表杨主任做一个风电电量提升技术方面的研究报告。我的这个报告也是分成我采用的三段论的方式来进行介绍。

　　首先我先介绍一下我们团队的情况。我们团队是从2005年开始在徐建洲院士的带领之下一直从事专业的风电叶片方面的研究，在空气动力学、气弹、气动、噪声、结构、部件、材料以及检测等方面做了大量的基础研究工作，同时形成了一些应用技术。我本人从2005年开始当研究生开始，也是随着团队的壮大成长一直到现在。我的主要的研究方向一个是风电叶片的空气动力学方面的，另外就是叶片的气动设计，第三个方面就是风电叶片的增控技术方面。

　　这一页我给大家展示就是我们在一些基础的平台，还有一些应用技术方面，今天我主要给大家介绍我们在基于风电厂的增功方面这两个非常小的应用技术。

　　为什么咱们业界现在也非常关注，包括上午联合动力的刘副总工程师也介绍了进行了机组的发电量提升等方面的一些技改的措施。实际上业内都认识到现在咱们的机组装上去之后，很多机组并没有能够达到预期的结果，这里面的因素非常多，我这简单的介绍几个，因为如果是要介绍机组的运行环境它的影响因素非常多，在这儿没法儿进行展开。我们先从一个非常简单的风速的状况来给大家介绍。

　　首先我们看右上角这个图是我们在张北一个风电场的测风结果，我取了某一天的10分钟的测风数据，可以明显的看到在10分钟之内它的风速，它的速度和方向都是随时在发生变化的，这样就导致我们的机组，如果按照稳态的设计肯定会产生各种各样的问题。进一步来说，包括它的风剪切、湍流、阵风、偏航、年平均风速，这就先社到微观闲置的问题，都会导致机组和理论预期产生非常大的差距。在这儿我主要是讲空气密度和年平均风速这两个小问题所带来的影响，继而产生了我们的一些新的技术和基础研究。

　　这张表格里面是空气密度对叶片长度，就是所需求长度的一个影响的分析。随着空气密度的降低，相同型号的机组要达到相当的发电量的话，叶片的放大系数就列在第四个表格里面去。反过来从另外一个角度来说，因为咱们现在的叶片大部分通用，可以用在各种风场，由于空气密度造成机组发电量的减少，就不容忽视，但是这个东西它后面该怎么处理，我们有没有什么方法来提高或者弥补这个损失，这样的话我们提出来一些新的措施。

　　再一个来看平均风速，对于平均风速它是怎么样影响咱们机组发电量的。大家都知道平均风速实际上由于咱们机组的功率和风速的3次方是成正比的，平均风速的降低将带来发电量的极大的降低，这个在风场的统计数据也会非常明显。年平均风速比较低的时候整体发电量会降低很多。这样我通过一个表来给大家再展示一下低的平均风速。发电的时候低风速这一段对整个年发电量的贡献是非常大的，大约能占到2/3的数据，而额定状态大约占1/3，随着年平均风速的降低，低风速阶段它的贡献对咱们整个机组的发电贡献是更大的。实际上这里有一个问题在低风速的我们都知道，当机组达到额定转速，它转速不能增加，风速在增加的时候，这一段会出现失速的叶片，这一段它所占的比例也会越大，咱们采取增功措施它的效果就会更好。

　　为了进一步解释我刚才说的这些问题，我给大家再展示一个我们实际测风的一个状况。看到这个图非常漂亮的实线是理论的曲线，看到这个图我相信很多业主是不高兴的，我们设计人员也是不高兴的。为什么会产生这么大的差别？我们分析了其中的原因，发现它的空气密度跟设计值的差距非常大。我们的设计值一般的标准空气密度选的是1.25，实际上风场的空气密度只能达到0.9左右，这样的话我们进一步分析通过低密度修正以及转速的修正，然后获得了下面那条红线，但是仍然还是跟实际的测量有比较大的差别，这个方面就是说空气密度导致我们机组的出工时间跟理论的预期差别是比较大的。另一方面低的空气密度使得额定风速提高，就刚才在我上一篇说的叶片的失速段的范围是增加的，失速段实际上就是由流动分离导致的，我们采用一些增功元件来控制流动分离，增加年发电量，这样对于技术上来说是更有意义，也是非常有前景的。这样实际上提出来这个问题，就是我们怎么样通过老的机组能够获得更多的年发电量，更多的风能。

　　这里我给大家简单介绍一下咱们增功的理论它的依据是什么。上午的时候刘副总工他也做了一些相关的介绍，这里是我大致给大家分析一下做更深入的分析。实际上我们看功率的公式，我们能变得参数对于特定的机组，特定的风场比较少，一个就是说叶片可以加长，另外也可以提高叶片的气动特性，就是风的利用系数，这两个该怎么做？叶片加长是增加风能扫风面积的一种方式，而提高功率系数CP实际上是通过流动控制这种方式来做。功率曲线上的这个图我们可以进行进一步的细分，这个时候我们能够更清楚的发现在失速段它对功率整个年发电量的影响。最右边那个表我统计了一下，就是说风场里面存在的损失。前两列我们可以看到这个实际上是空气动力学方面的一些损失，后面是机械损失、用电，以及其它不知原因的一些损失。这个损失折合下来之后，从我们风轮吸收的能量一直到并网发电，它的损失大约能够占到三成，28%这是我们一个数据，实际上这也说明我们在风场采取一切必要的措施或者可能的措施进行风电电量的提升，是非常有潜力可挖的这么一个方式。

　　接下来我就具体介绍我们在流动控制和叶尖延长两个方面具体的工作。首先介绍涡流发生器的增功技术。左边这个图我是给了涡流发生器的基本原理图，它是非常简单的一种小翼结构，通过它的叶尖产生叶尖涡，将上游的高能流体带到下游的边叶层里，可以抑制边叶层的分离，从而提高叶片的性能。在这个方面我们从基础研究，数值方法，风动到现场测试我们做了一系列的研究。左边这个角上我们可以看到涡流发生器的影响参数实际上非常多，它虽然形状比较简单，这样它带来的问题就是在风场对于不同的叶片和风场怎么优化。在这块我们提出了一种新的方法，就是涡流发生器的参数化模型。我们通过将涡流发生器的各种参数建立起一个数学模型，可以很方便的模拟涡流发生器的样子。只要知道所需的原像的强度，就能够把涡流发生器的参数给获得。同时我们在风动以及现场的测试对它进行验证，这样的话实际我们就解决了刚才提出来的那个问题。

　　对于风动实验，实际上对于不同的风动也会有影响，我们采取三种不同的风动，一个是小型的，大约是在0.5×0.5米的我们自己的风动，另外从北航，从华北电力大学也进行了大量的从中型到大型的风动进行大量的实验，得到跟我们理论计算和数据模型一致的结果。从这个图上可以看到涡流发生器抑制流动分离的效果是非常明显的。

　　在一个方面就是为了验证前面基础研究的结果，我们在张北自己的风电机组上面进行了装机实验，也得到了一些非常有用的结果。如果大家在做这个问题的话有一个建议，一个是涡流发生器适合装在年平均风速比较低的区域，另外叶片的微观选址和当时设计有差异，也可以考虑，在对于低密度区域，也就是高原地方可以考虑用这种方式增加年发电量。

　　上面是我们在涡流发生器方面的一些基础研究和应用研究，接下来介绍一下叶尖延长方面做的一些工作。上午的时候刘伟超副总工程师他也介绍了很多这方面的东西，其中有很多内容可以说是英雄所见略同，大家在做这个事情肯定也是遇到类似的问题，我们还进行了其它方面的考虑，比如说叶片除了要满足极限载荷，它的极限强度的要求之外还需要从它的趋于稳定性，以及叶片、叶根、叶中、叶尖连接段，不同段的强度各个方面进行非常细致统一的研究。第三个方面就是雷电防护，这个其实上午的时候也有方案，我们也有自己的方案进行如何保证接闪系统和原来接闪系统的融合。第四个方面实际上也是关系到这项技术非常重要的一个是如何保证我们的安装质量，在这方面我们从胶层厚度，从粘接工艺、施工、时间控制等各个方面进行了非常细致的研究。这两张图实际上是两种不同的叶片延长方式，一个叶根一个叶尖，刚才这个关键问题里面我们主要针对叶尖来说的，叶根我们现在也有一个专利产品可以用。

　　这里我是统计了叶延长长度和发电量的一些关系，对于叶片的载荷我从右下这个表可以给大家稍微一个展示，实际上叶片的载荷控制必须要和咱们的控制策略，就是整机去配合一块去做事情。同时我们通过叶尖气动外形的优化也可以做到叶片，就是整个载荷的降低。那么这两种方式是共同保证叶片叶尖延长能够顺利进行的一个条件。

　　为了验证粘接强度，以及验证我们粘接厚度，找到我们在现场施工中粘接厚度工艺控制的边界，我们进行了大量的基础性实验。从标准件，就是板状构件的粘接，然后一直到3.5米的一个小的模型叶片，它的一系列的结构方面的验证，我们都进行大量实验来做这个事。目前也就是找到了我们实验现场施工之中应该控制达到什么样的控制精度。这个实际上是我们一个样板在测试的时候，万能实验机在测试的过程。右边是我们小模型的分段粘接，以及在一个旋转实验台上我们进行了在旋转状态下的疲劳试验验证，最后形成了整套技术。

　　形成这个仍然是在实验室做得，为了更进一步完善我们的研究，我们又拿到100千瓦的机组上进行了整个方案流程的设计，在这我们是基于研究的角度，然后从粘接的厚度控制，从固化时间的要求进行了一系列的研究，同时我们既对在不同的时间下对树脂结构胶进行采样，采样完了之后去测它的固化温度。最后我们发现在现场的条件下，当时的温度气温比较低应该是零下几度，通过6-8个小时的加热，这是慢胶，采用不同结构胶，采用慢胶大约是6-8个小时能够达到65度以上的固化温度，如果时间再短，那么随着条件的恶劣，可能需要采用更高的措施来保证固化温度，这个时间实际上是对于施工是非常关键的一个时间。防雷系统我们也进行了一些工艺上的改进，能够很方便的进行。实际上是对于整机对于业主还非常关心的事就是质量平衡这个问题，质量平衡实际上我们也进行了一些方案，然后来保证叶片的质量平衡。当然这里面还有很多其它的非常深入的问题，我就不给大家展开。

　　这个就是通过我们整套的基础研究一直到应用，我们进行了一个1.5兆瓦叶片的叶尖延长的开发，这个现在已经形成产品。

　　以上就是我主要介绍的内容，总结这块我就不念了，实际上作为国家级的研究中心，国家级的研究所，我们中心从2005年开始为咱们风电行业培养了非常多的人才，他们分布在比如说金风、国电、远景等等这些企业，一直为咱们风电行业还继续做贡献。我也希望我们中心将来继续能为咱们风电行业的基础问题的研究，以及为咱们中国的风电技术水平的发展能够做出进一步的贡献，同时输入大量的人才，培养大量的人才，谢谢大家！（根据速记发出，如有错误请谅解！）