中材葉片黃輝秀：大型風電葉片帶來的挑戰及其解決方案

2023年10月16日-19日，2023北京國際風能大會暨展覽會（CWP2023）在北京如約召開。作為全球風電行業年度最大的盛會之一，這場由百余名演講嘉賓和數千名國內外參會代表共同參與的風能盛會，再次登陸北京，聚焦中國能源革命的未來。

本屆大會以“構筑全球穩定供應鏈 共建能源轉型新未來”為主題，將歷時四天，包括開幕式、主旨發言、高峰對話、創新劇場以及關于“全球風電產業布局及供應鏈安全”“雙碳時代下的風電技術發展前景”“國際風電市場發展動態及投資機會”“風電機組可靠性論壇”等不同主題的21個分論壇。能見APP全程直播本次大會。

在10月18日上午舉辦的風電機組可靠性論壇上，中材科技風電葉片股份有限公司技術副總監黃輝秀發表了題為《大型風電葉片帶來的挑戰及其解決方案》的主題演講。

以下為發言全文：

各位專家同仁，大家好，時隔三年我們又在這里見面，剛才兩位專家分享了是現場和機組方面的一些信息，我對于單獨的葉片來講一講。我有兩個方面的這個議題，一方面就是大型葉片帶來的挑戰，第二個就是解決方案。當然這個解決方案不一定是中材葉片做的，它有可能是一些想法，有可能是對未來的期待或者是說已經做成的事情。

挑戰是來自多個方面，首先就是大型的葉片，它的翼型數據是需要修正，現在所用的翼型數據都是百萬級別的，增加到百米級以上，它會達到千萬級別，千萬級別是需要做一些理論的修正，或者要去做一些測試。這個測試是一個新的挑戰，它要有更大尺寸的風洞，還有更高風速。這些大厚度的翼型對前緣粗糙度也是更加的敏感。第二個機組的匹配難度是空前，我們現在所用的是開發邏輯，首先我們的客戶給我們定了目標低重量目標，低重量會引來是什么？就相當于材料用的少了，那就是剛度低了之后，它在匹配的時候載荷發散，所以在這環節上要不斷的去迭代，是消耗很多的時間，對大型葉片來講，我們的有的時候會迭代上百次，給工程師帶來很大的心理的壓力。

另外就是大型的葉片與以前葉片不一樣的地方，就是轉速越來越接近于額定轉速。這個圖是我自己創立的一個圖，它代表的截面上的載荷密度可以與另外一個詞，就是說電車的電池能量密度，大致是一個意思。也就是我們的葉片是有厚度的，比如說是翼型絕對厚度是一米厚，一米厚所承載的載荷是多少？是載荷除以厚度，得到一個單位的厚度所承載的載荷。

可以看得到隨著有些葉片在變長，這個是短的葉片，這是相對短的葉片，這個是長的葉片，長的葉片的載荷密度是提高了很多，有可能是一點幾倍，載荷密度就會驅動后續的結構設計完全不一樣。比如說主梁，主梁的厚度遠遠大于芯材的厚度，厚度差越來越明顯。另外結構上也會有一些變化，比如說這個是低重量的要求下，以前短的葉片是雙腹板，更多的雙腹板，而現在大型的葉片出現有一些單腹板，曾經在一個研討會上跟大家去研討，說到單腹板和雙腹板的問題。舉一個例子，人是有兩個腎的，缺少了一個人能不能活，他還是能活，在這種情況下我們不要讓剩下一個腎的管路超載，同樣對于葉片也是一樣的，如果只有一個腹板，我們要加強設計，去結實它內部的運力讓它不要超載。

原材料的方面，其實原材料在近一階段是沒有什么大變化的，從玻璃纖維來講它已經是定了，雖然說我們現在幾個是纖維廠家，有一些新的型號將要推出，但是它所帶來的并不是跳躍性的。我們國內的碳纖維，它用的是T300的級別，也不會有太大的變化，首先T300級別沒有大量的使用，成本還沒下來，在使用更高成本更高模量的纖維，成本是消化不了的。在這個我們還要繼續的期待，期待我們在未來葉片用上碳纖維。

下面是說制造方面的一些挑戰，大家自己家里有多大平方，幾十平方、上百平方，現在200米級別的模具，它兩面加起來上千平方，上千平方就相當于小公園，上公園我們只是去走走，而我們是要在這上面干活，要把幾十噸的材料安放在正確的位置，而且要保持高質量。我覺得，這其實比造飛機更難，造飛機它是非常好的環境，它的流程都是非常清晰的。上千平方在這個范圍里面要管理好，這是很大的難度。有些型大型葉片對有些型面是造成了很多的操作困難。它由于這些是后列的設計要降載，降完載之后它也不能直接的制造，它要把模具稍微扭動一些才好，另外扭動了之后一些主要的部件，比如說在這個部件，它定位就定位在斜面上，就又增加了挑戰。

另外就是灌注，大型的葉片它的鋪層多，也比較復雜，給針孔灌注帶來的難度。另外就是厚度差，這個是主梁的部分，這是殼體，這么多年大型的葉片，殼體的后厚度是沒有怎么變化的，主要變化在于這個主梁，它的高度差就會引起數值的一些不穩定流動。所以現在大型的葉片所造成的一些生產性的缺陷，它不太穩定，位置不穩定，大小的不穩定。當然不穩定是相對的，不是不穩定是使得葉片用不了。

另外是合膜粘接，因為粘接也發生了很大的一些變化，比如說粘接的形面，有的在斜坡上，它的間隙控制會不是太穩定，上百米的腹板吊裝起來會發生形變。另外吊裝大型的葉片，以前是一個吊車，現在肩部，從肩部脫模要兩個吊車，兩個吊車又要考慮到配合的問題。

生產效率，百米級的新葉片會有很多的無效走動，無效走動就是降低了生產效率。另外缺陷就是在消缺的過程之中，消缺的成本是很高的，以前對一個小的葉片消缺比如一小時，這一小時遲滯的是，比如說50米的葉片多少錢，現在按一小時遲滯，對于幾十噸的葉片，它的成本會更高。另外就是間斷性的生產，大型葉片有可能它的生產不連續，不如小葉片連續，比如同時建一個同樣兆瓦的風場，用3兆瓦和6兆瓦的，雖然它的葉片數量不一樣，主要是工人連續生產，他就會非常高的熟練度，他的出錯率會很低，但是對于大型葉片做會兒不做了，這里頭人員變動，不熟練也會造成一些問題。生產班組勞動強度是很大的，幾十噸的材料都要過他們的手，生產的周期，比如說它很難控制到24小時之內，或者說他有可能有的是30多小時，因為現在生產緊張，不可能讓他是按照48小時排，今天37，明天36，所以說對工人的要求是很高的。另外測試臺也不夠用了需要新的投資，大型葉片在測試之中所發生的不確定性越越來越多。

第二個就是解決方案，這一章里頭我描述了有兩個模型，第一個模型，設計可靠性模型，最上面是經濟可行性模型，其實任何的東西設計出來了之后，都需要我們去把它去制造出來，把它用起來。在用的時候有兩個方面，一個人力資源到底能不能支撐，人力資源是個死的，或者說短時間之內是很難改變的。

第二個經濟的支撐，社會經濟對它的支撐，比如說有些成本是特別高的，我們無法去購買它，那就說明我們是沒辦法去支撐它。經濟支撐里面其實大家可以看得到，原材料、建設工廠、工藝，這里頭列了很多因素，這些因素其實每一個因素下面有很多子因素，這些子因素里頭都有它的極限，舉個例子，樹能長到100米高，它再長不高了，它為什么不長150米200米高呢？他只能長到100米高，是因為水汽上不去了。這兩個模型里面都會有極限，舉個例子，現在的主梁越來越厚，以前是幾十毫米，現在100多毫米，再到以后假設有200毫米的，現場做葉片的同事，我們能不能保證他200毫米能不能灌得透？如果說200毫米灌不透，這些其他的模型里面“N-1”個模型都是可行的，這個葉片就制造不下去。這些失效的對整個葉片產業鏈，還有應用的產品，這里頭的因素進行識別，它的極限到底在哪？

解決方案確實有些是想到了，有些還沒有實施，在設計方面就說是建立一個快速的平臺，剛才所說的設計人員其實是非常辛苦的，他們承受了巨大的壓力，我們希望就要開發一些平臺，利用大型的算力給出更多的求解。當然這個解不是正向的，是一些這種具有度的模型。

另外以前我們做過一些優化，比如主梁的優化，對它進行減重，另外大型的葉片，為了提高子部件可靠性，我們對這些部件進行子模型的仿真，舉個例子，比如說以前這個是端頭的開裂，以前的腹板端頭容易開裂，我們對結構進行了優化后來不再開裂。這些子部件的測試也是需要去做去探索，獲得它的應用邊界。

另外在生產方面的一些解決方案，目前對鋪層來說確實是沒什么是有用的，工業的投入只是靠人手。在后期處理的時候，現在確實投入了很多新的東西，比如打磨機器人、切邊、涂裝等等。還有一些定位，就是目前最復雜的那個動作就是鋪層的動作，現在沒有辦法，成本實在是太高了。這個今年發起了拉擠板主梁，雖然說看起來沒有去鋪層了，但是它仍然需要把脫模布撕掉，再把它裝配起來，主要是引進了自動化的設備，減少了人員的數量，提高了勞動效率。另外對于一些鋪層的，尤其是葉片的根部，它這個尺寸特別大，人其實在上面不好操作，我們現在正在是開發一些設備來輔助鋪層。

另外灌注方面，大型葉片的灌注它具有不確定性，一方面加強內部的經驗迭代，另外一個主要是引進仿真。另外粘接方面，還有工裝上再想一些辦法，這是一個測試，目前我們就是建成了一些部件，測試的能力還繼續再建。另外這是中材葉片所建設好的，可以測180米20兆瓦的實驗平臺。

（根據演講速記整理，未經演講人審核）