中材葉片黃輝秀：大型風(fēng)電葉片帶來的挑戰(zhàn)及其解決方案

2023年10月16日-19日，2023北京國際風(fēng)能大會暨展覽會（CWP2023）在北京如約召開。作為全球風(fēng)電行業(yè)年度最大的盛會之一，這場由百余名演講嘉賓和數(shù)千名國內(nèi)外參會代表共同參與的風(fēng)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(gòu)筑全球穩(wěn)定供應(yīng)鏈 共建能源轉(zhuǎn)型新未來”為主題，將歷時四天，包括開幕式、主旨發(fā)言、高峰對話、創(chuàng)新劇場以及關(guān)于“全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)布局及供應(yīng)鏈安全”“雙碳時代下的風(fēng)電技術(shù)發(fā)展前景”“國際風(fēng)電市場發(fā)展動態(tài)及投資機會”“風(fēng)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(fēng)電機組可靠性論壇上，中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司技術(shù)副總監(jiān)黃輝秀發(fā)表了題為《大型風(fēng)電葉片帶來的挑戰(zhàn)及其解決方案》的主題演講。

以下為發(fā)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(xiàn)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(zhàn)，第二個就是解決方案。當(dāng)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(jīng)做成的事情。

挑戰(zhàn)是來自多個方面，首先就是大型的葉片，它的翼型數(shù)據(jù)是需要修正，現(xiàn)在所用的翼型數(shù)據(jù)都是百萬級別的，增加到百米級以上，它會達(dá)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(zhàn)，它要有更大尺寸的風(fēng)洞，還有更高風(fēng)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(xiàn)在所用的是開發(fā)邏輯，首先我們的客戶給我們定了目標(biāo)低重量目標(biāo)，低重量會引來是什么？就相當(dāng)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(fā)散，所以在這環(huán)節(jié)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(zhuǎn)速越來越接近于額定轉(zhuǎn)速。這個圖是我自己創(chuàng)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(qū)動后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計完全不一樣。比如說主梁，主梁的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于芯材的厚度，厚度差越來越明顯。另外結(jié)構(gòu)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(xiàn)在大型的葉片出現(xiàn)有一些單腹板，曾經(jīng)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(shè)計，去結(jié)實它內(nèi)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(jīng)是定了，雖然說我們現(xiàn)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(nèi)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(xù)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(zhàn)，大家自己家里有多大平方，幾十平方、上百平方，現(xiàn)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(dāng)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(zhì)量。我覺得，這其實比造飛機更難，造飛機它是非常好的環(huán)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(shè)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(zhàn)。

另外就是灌注，大型的葉片它的鋪層多，也比較復(fù)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(shù)值的一些不穩(wěn)定流動。所以現(xiàn)在大型的葉片所造成的一些生產(chǎn)性的缺陷，它不太穩(wěn)定，位置不穩(wěn)定，大小的不穩(wěn)定。當(dāng)然不穩(wěn)定是相對的，不是不穩(wěn)定是使得葉片用不了。

另外是合膜粘接，因為粘接也發(fā)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(wěn)定，上百米的腹板吊裝起來會發(fā)生形變。另外吊裝大型的葉片，以前是一個吊車，現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)，大型葉片有可能它的生產(chǎn)不連續(xù)，不如小葉片連續(xù)，比如同時建一個同樣兆瓦的風(fēng)場，用3兆瓦和6兆瓦的，雖然它的葉片數(shù)量不一樣，主要是工人連續(xù)生產(chǎn)，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(chǎn)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(chǎn)的周期，比如說它很難控制到24小時之內(nèi)，或者說他有可能有的是30多小時，因為現(xiàn)在生產(chǎn)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(fā)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(shè)計可靠性模型，最上面是經(jīng)濟可行性模型，其實任何的東西設(shè)計出來了之后，都需要我們?nèi)グ阉ブ圃斐鰜恚阉闷饋怼Ｔ谟玫臅r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(nèi)是很難改變的。

第二個經(jīng)濟的支撐，社會經(jīng)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(jīng)濟支撐里面其實大家可以看得到，原材料、建設(shè)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(xiàn)在的主梁越來越厚，以前是幾十毫米，現(xiàn)在100多毫米，再到以后假設(shè)有200毫米的，現(xiàn)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(chǎn)業(yè)鏈，還有應(yīng)用的產(chǎn)品，這里頭的因素進(jìn)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(shè)計方面就說是建立一個快速的平臺，剛才所說的設(shè)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(fā)一些平臺，利用大型的算力給出更多的求解。當(dāng)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(yōu)化，比如主梁的優(yōu)化，對它進(jìn)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(jìn)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(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)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(yīng)用邊界。

另外在生產(chǎn)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(yè)的投入只是靠人手。在后期處理的時候，現(xiàn)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(fù)雜的那個動作就是鋪層的動作，現(xiàn)在沒有辦法，成本實在是太高了。這個今年發(fā)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(jìn)了自動化的設(shè)備，減少了人員的數(shù)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(xiàn)在正在是開發(fā)一些設(shè)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(nèi)部的經(jīng)驗迭代，另外一個主要是引進(jìn)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(xù)再建。另外這是中材葉片所建設(shè)好的，可以測180米20兆瓦的實驗平臺。

（根據(jù)演講速記整理，未經(jīng)演講人審核）