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海上风电海上大叶片技术

青岛海力海洋调查科技服务有限公司2018-11-07 11:22:22

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海力有话说!


一、海上风电发展趋势

海上风能资源优越,2017~2019年全国海上风电项目预计招标容量为1019.6万千瓦,海上风电发展潜力巨大。国家能源局《能源技术创新“十三五规划”》指出,“十三五”期间重点研究8MW~10MW 陆/海上风电机组关键技术,实现5~6MW等大型海上风电机组安装规范化和机组运维智能化。

5~6MW目前已规模化装机,8~12MW预研已开始,海上风电将快速进行大兆瓦时代。

二、海上风电叶片发展趋势

福建一带海域,I类风区,设计理论年满发利用小时数超过3200h,单位千瓦扫风面积需超过3.0,8MW叶片的长度需要约87m,12MW叶片约104m;

江苏以北海域,III类风区,设计理论年满发利用小时数需超过3000h,单位千瓦扫风面积需超过4.5S/KW,8MW叶片的长度需要约107m,12MW叶片约128m。

海上风电大兆瓦时代叶片大型化成趋势。

三、海上大叶片面临的挑战

叶片大型化和海上复杂的外部环境,使得海上大叶片面临如下几大挑战:

⑴大型叶片设计可靠性与可靠性验证;

⑵碳纤维主梁成型工艺的技术路线选择;

⑶碳纤维主梁质量可靠性保证;

⑷大型叶片腹板定位及粘接可靠性保证;

⑸海上叶片雷电防护可靠性保证;

⑹海上叶片腐蚀防护可靠性保证;

⑺大型叶片验证可靠性保证。

四、海装5MW~83.6m叶片开发经验分享

面对海上风电叶片的诸多挑战,海装5MW~83.6m叶片在国内风电领域进行了多方面的开创性探索。

(1)碳纤维主梁设计

显著提高叶片刚度,减轻叶片重量,5MW-83.6m海上风电叶片设计重量仅为25.7T,相比行业内众多采用玻纤主梁的叶片重量达到30T左右,大大降低了整机载荷,降低机组综合成本。

(2)增加后缘安全性

增加TE-UD腹板,大大增加超大型叶片的摆振刚度及后缘安全性。

(3)碳纤维主梁真空灌注

碳纤维主梁制造主要有预浸料、真空灌注、碳拉挤板三种技术。预浸料技术具有最有利的优点是易浸润,缺点是黏性大铺设困难,容易产生层间间隙,储存运输困难,成本高;真空灌注技术最有利的优点是铺设容易,缺点是碳纤维浸润性能差,层数较多时真空灌注一次性完全浸透困难;碳拉挤板技术最有利的优点是易固化,缺点是铺设随形困难,不宜过宽,且层间结合力低。

经验证碳纤120层,厚度大于70mm主梁采用真空灌注技术路线可行。

(4)无损检测技术

碳纤维制品肉眼无法检测内部缺陷,且厚度较厚时,普通设备难以识别出缺陷;对碳纤维检测常用的有红外、X射线、激光散斑、超声技术;研究发现,对于大厚度的碳纤维制品,采用相控阵超声波无损检测技术,配备专用的探头和设备,可以实现对碳纤维主梁100%检测。

(5)腹板PS面一体粘接技术

对于大型叶片,腹板高度达3.5m,难以固定和定位,应设计大型腹板一体粘接定位工装,采用腹板PS面一体粘接控制技术,有效保证大型叶片腹板定位质量。应对主梁粘接区域及后缘粘接区域进行100%无损检测保证粘接安全。

(6)大叶片型式试验

83.6m叶片为国内最长,需要更大更宽的试验台,海装与第三方认证公司共同论证探讨试验场地、试验方案,目前该叶片已通过鉴衡的静力测试、正在进行疲劳测试。

(7)叶片防护

83.6m风机正常运转时叶尖速达90m/s(324km/h),降雨对叶片前缘破坏能力强,开发过程中应重点关注。

目前用于叶片防护的体系有保护漆(阿克苏诺贝尔、博格林、美凯维奇、麦加等)以及保护膜(3M、德莎)。

叶片开发过程中,设计人员提前对防护材料开展了紫外、湿热测试,接近真实海洋环境;对防护材料性能进行研究,考察材料的施工性能,采用接近真实施工条件下的样板,叠加大流量、加速雨蚀试验综合考察材料特性,选用防腐能力综合性能最优的防护体系。

(8)叶片防雷技术

碳纤维主梁的引入使叶片的雷电防护系统变得复杂;金属网是一种既能接闪、传导又能防护复合材料的材料,与传统的引下线有着本质区别;碳纤维主梁的雷电防护通常采用金属铜网;技术人员综合选择多种金属网,开展雷击测试对比验证,选用接闪性能最高的新型防雷材料;经验证,应至少选用195g/m2的金属网,可满足雷电传输要求。

海装按照IEC规范,开展了叶片防护系统试验。1000KV高电压初始先导附着及扫略试验; 200KA,300C,10MJ大电流冲击及能量转移试验。经系统化验证,碳纤维主梁无需采用引下线设计,采用合适的铜网防护方案可保证防雷安全,且取消引下线设计还减少叶片内部产生电弧的风险。

五、结语

海上风电叶片运行在不易测,不可控,不易达的严酷与复杂环境,海上风电面临诸多未知与挑战,同时还有众多未能突破的难题与技术瓶颈,愿全行业携手努力,大力开展基础研究和科研试验,攻克海上风电发展难题,为整机的经济性及安全性提供更强大的保障,共享蓝海发展。

■本文作者/肖航 冀满忠 黄金余,来自《中国海装》,版版权归作者所有


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