WINDnovation創始人兼總經理Roland Stoer在設計優化運維專場做了題為《大型兆瓦級風力發電機組葉片的設計和制造——從原型到優化未來系列產品的經驗教訓》的演講。以下為演講內容實錄：

WINDnovation創始人兼總經理Roland Stoer
 

　　我首先介紹一下我們公司WINDnovation。在座的可能有些知道，我想說一下，為什么轉子葉片很相似，一些歷史的概述，未來的解決方案和長葉片的潛在方案，我們可以跟合作伙伴一起合作，提供一些解決方案、新的產品和設計。

 

　　WINDnovation十年以前柏林成立的。今天我們有31個全職的工程師，主要是用于轉子葉片的設計，我們已經做了350個項目，其中100個是單個的轉子葉片的設計，滿足了供貨給100個客戶，來自25個國家。我們同時做技術轉讓，做轉子葉片的制造，現在中國占我們整體業務的90%。我們做一些風力發電機組件的設計和咨詢的工作，我們滿足ISO90001的要求。

 

　　這些是風力發電行業早期的照片，在德國曾經出現過這種單葉片的風機，后來變成了雙葉片，比美國的機型要大很多，后來有一張瑞士的照片，丹麥做了一些非常直截了當和新穎的設計。到目前為止這些項目已經運轉了30年以上。

 

　　首先第一個比較成功的風機的葉片是在1995年到2005年的時候，有一些NEG  Micon600，現在在德國最大的就是使用7.5兆瓦的，還有金風的是一個1米的裝置。

 

　　第三個就是離岸的應用，這是日本Hitachi的2兆瓦和5.5兆瓦的設計。我們當下在葉片使用的風機中的最新的技術。

 

　　關于轉子葉片，我們早期的時候是在飛機或者航空領域，后來用一些比較小的葉片，包括像一次成型的葉片。最近大家可以看到像西門子是整體式的葉片，還有Spar box的，用了一個梁翼的結構，這樣我們就可以更好地對這個結構進行調整。

 

　　但是它有一個缺點就是會對這個葉片的運行效率和輸出有影響，所以我們有了第三種概念，就是整合的外殼。它的外殼整個是整合的，非常地高效。但是它有一個不好的地方，因為是整體式的外殼，所以我們在內部結構上可以進行布局的空間非常有限。

 

　　我們現在從客戶這邊給到我們設計上的一些挑戰，比如說像定制化，還有我們如何把性能最大化，能量輸出最大化，并且把這個荷載最小化，同時葉片輕量化，同時生產過程也能不斷地簡化。同時還要降低噪聲的水平，如果要滿足所有以上的條件，聽起來基本上像不可能完成的任務。

 

　　這是我們早期在商業化上取得成功的風機的葉片，當時在90年代中期的時候是通用的葉片，用于所有的風力電機，這里IM19.1，整個是風機成本的20%。

 

　　大家可以看到這個時候，我們一般風機的設計師就需要考慮到這些可用葉片的做功，尤其是在設計新的風機的時候，要考慮到這些葉片的特征。

 

　　現在大家可以看到常見的像金風的1.5兆瓦在70/77等等的款型。同時我們要考慮到風機的設計。所以當客戶找到我們的時候，他們會有相應的RPM的設計等等，在最少的噪音水平、最大的性能能源輸出如何找到最好的解決方案。

 

　　今天早上我們也聽到了，人們也希望能夠在比較低的風速下也希望能夠呈現比較高的效果和性能。大家看到紅色的這條線就可以展示出我們的轉子的大小，所以大家看到最后大概是145兆瓦/平方米的荷載。如果要是在這個2兆瓦的話，大家可以看到是400兆瓦/平米的荷載。

 

　　這里是我們之前最早使用的一個轉子葉片的幾何造型，在這種情況下空接非常有限就很難讓我們的結構設計師在內部設計方面能夠有很好的靈活性。

 

　　同時像這里就更細、更修長，結構、空間非常有限，并且對這種葉尖和葉尾的間隙更加敏感。我們也嘗試使用最好的軟件和計算方案來進行相應的計算，獲得最好的解決方法。

 

　　在這里我們也會去計算，進行相應的曲線分析。這里大家看到我們用這個彎曲分析，就是一個橫截面的彎曲設計，在這個軸上的點。我們詳細地去看，最后分析發現在這個區域的荷載更高，這樣我們就可以來得到一個結構化的計算。當然這個過程中需要大量的計算的付出和方法。

 

　　同時我們還有一個比較明顯的特征，這是一個160米的直徑，這個地方它的風速大概10米，但是在那邊是200米/小時，所以風速是不一樣的，所以風速比較低的時候是不需要做控制，但是在風速比較大的地方需要做相應的控制。所以風速的分布是完全不一樣的，我們就嘗試把大型的葉片，把荷載最小化。比如說我們有一些設備用于荷載的最小化，同時可以使用一些創新的技術。

 

　　我們在這個風力發電機上沒有找到相應的視頻，所以給大家看了在飛機上葉片出現的現象。所以在這邊我們需要去在相應的空氣動力負荷下同時做靜態和動態行為的測試。所以我們就要找到一個點，比如說葉片不是太大，但同時又可以在運轉的過程當中保持比較穩定。

 

　　大家可以看到在紅色這條線上，大概是10。但是如果要是關閉這個發電機的話，你看它的速度可以達到20RPM，這樣我們就有一個相應的安全系數。

 

　　同時我們還有一個軟件，這個軟件叫Hawc2Stab，這樣可以找到一個最佳的中間方案。目前也是當前技術當中最好的一個解決方法。

 

　　當然從生產的角度來說，我們希望能夠盡可能地簡化，這樣也可以實現比較好的精確化。比如說根據我們之前講的曲線來完全遵循最好的折中線，同時在使用的過程中要避免出現褶皺。這時候我們要有一個曲線分析，對每一條線進行分析，比如說曲線的過渡要非常地的平滑，不要出現比較陡的變化和比較尖的拐角。

 

　　噪聲的減少方面，尤其是對于不同載荷的葉片，我們也需要關注噪音，在很多市場上也是比較被人們關注的方面。現在比較詳細的分析都是半實驗室的，都是在葉片運轉過程中評估運轉水平。其實這個噪音也是和我們發電機的功率相關的，這個噪音不管葉片的近端和遠端的特點也是不一樣的。

 

　　一般來說噪音水平，一般額定功率上去的話，噪音水平也會普遍提高。我們可以調整它的葉尖的速度，同時可以對葉片的頂端進行處理，或者優化我們的葉片頂端的設計。同時可以使用一些特殊的元件，還有升力系數。比如說這些鋸齒，這些鋸齒會產生相應的渦輪，他們可以根據我們機器的功率，可以在一定程度上降低整個機器的噪音水平。

 

　　從材料的角度來說的話，當然作為設計師，我們肯定是嘗試去盡可能地使用最好的材料來優化整個葉片的結構。像這里大家看到，比如說我們可以使用一些高性能的玻璃纖維，比如在2016年有CIC的TM+，還有2016年、2017年、2018年，尤其是2018年的性能非常好。并且最近的一些設計和客戶都是使用E8的材料，當然也有生產性能的，因為生產該材料的鍋爐每年不能無限制地生產。

 

　　關于數值系統，像一些環氧的數值，一般來說像新開發的PU融合的數值能夠提供比較好的大小。同時能夠帶來比較好的主要性能的提升。

 

　　關于一些核心材料，比如說一些新材料，目前的趨勢是如果真的出現新材料的話，一般客戶不敢馬上去使用，出我們能夠再使用一段時間并驗證，同時有多個供應商提供材料，我們才敢去進行嘗試。

 

　　我們有一個中國的紡織品廠家來增加葉片的堅硬度，用碳玻璃混合的材料，并且這種玻璃纖維的供應也是比較有限。所以我們在采用這種材料的過程中也要去思考成本，包括材料的可及性。

 

　　我們還要看碳纖維是否能減少，比如說50%的量，并且在90米的葉片情況下。最后可以看到只要是管用的，沒人想放棄，現在每個人的方向都在增大葉片的尺寸和質量。

 

　　（內容來自現場速記，未經本人審核）