水平轴风轮机叶片技术综述

朱敏 肖横洋 何玉玲

摘 要：风能是新能源中利用技术相对成熟、分布广泛、经济环保、可再生的绿色能源。目前，风能利用的主要形式是风轮机用叶片捕捉风，旋转的叶片驱动与发电机连接的轴，将旋转运动转变为电，从而将风的动能转化为电能。风轮机的核心部件是叶片。本文以水平軸风轮机叶片的专利申请作为分析对象，分析风轮机叶片的专利申请情况、技术发展路线和主要申请人研发方向、分布情况。

关键词：风轮机；叶片；纤维；树脂

中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）08-0041-02

Review of Horizontal Axis Wind Turbine Blad Technology

ZHU Min XIAO Hengyang HE Yuling

（Patent Examination Cooperation Sichuan Center of the Patent Office， SIPO，Chengdu Sichuan 610213）

Abstract： Wind energy is a kind of green energy which is relatively mature， widely distributed， economical， environment-friendly and renewable. At present， the main form of wind energy utilization is wind turbine blades used to catch wind. The rotating blades drive the shaft connected to the generator and convert the rotation into electricity， thereby converting the kinetic energy of the wind into electrical energy. The core component of the wind turbine is the blade. In this paper， the patent application of horizontal axis wind turbine blades is taken as the analysis object， the patent application， technical development route， research and development direction were analyzed.

Keywords： wind turbine；blade；fiber； resin

1 水平轴风轮机叶片概述

风能是一种可再生新能源，当前获取风能的方式主要是利用风力发电机组把风能转化为电能来实现。风能发电机组通常包括风轮机叶片、传动系统、发电机、储存设备、塔和电气系统，风轮机叶片是联系风与发电机组，直接用于捕捉风能，是风力发电机中最重要的部件之一。风轮机叶片的尺寸从20世纪70年代的5m到2000年的34m，一直发展到2016年的约80m。风轮机按照风轮轴与地面的相对角度可分为水平轴风轮机和垂直轴风轮机，水平轴风轮机在塔顶设有一个风轮轴和发电机，并且指向风中，风轮轴与地面是平行的，叶片应被制成不易弯折且强度足够高，以抵御由强风造成的搅力、剪力及扭力。垂直轴风轮机包括固定垂直的叶片中心回转杆塔，叶片中心回转塔杆与地面呈垂直状态，叶片可相对中心杆塔旋转并径向移动。水平轴风轮机是采用较多的形式，因其当风速过大、功率过高的时候，风轮机能够被自行抬起从而进行自我保护。

根据叶片的数目可以将风轮机分为单叶式、双叶式、三叶式和多叶式，现有标准的风轮机的设计发电能力为1～5MW，装有多枚30～90m长的叶片，通过叶片旋转带动发电机将机械能转换成电能[1]。

影响水平轴风轮机叶片的因素有很多，如叶片长度、叶片轮廓、质量等，风轮机叶片一般由下列参数描述：翼型最大厚度及其位置、对应于叶片横截面的翼型弦长、中弧线弯度及位置、翼型扭转角和参考点位置，叶片旋转过程中，需要同时承受气动力、离心力和自身重力等复杂载荷的作用，叶片的结构、材料选择、加工方法等直接影响风轮机的功率和性能。

早期风轮机叶片是采用木材和帆布制造的，由此制作的风轮机叶片空气动力学效率低，使用过程中需要大量的维护工作，后期上述结构被翼型结构代替，使用纤维、树脂、金属构成的复合材料。目前普遍采用纤维增强材料，由于纤维增强树脂的质量相对较轻，在制作大型叶片时通常使用此种材料。为进一步增强叶片耐用程度，除选择优异性能材料外，还可在叶片内部设置附件如桁架或翼梁，利用其对叶片的力学分布进行调控，以提升叶片的整体强度，避免局部应力集中而造成叶片损坏[2-4]。

2 技术发展状况

采用2018年1月前公布的与风轮机叶片相关的专利申请、论文和专业书籍对风轮机叶片技术进行分析和整理。

2.1 申请量年度分布

1978年，风轮机叶片技术首次申请专利，其发展经历4个阶段：第一阶段（1978—2002年）为萌芽期，申请量较少，技术处于较低的水平，为风轮机叶片技术起步阶段；第二阶段（2002—2006年）为缓慢增长期，专利申请的数量相对于第一阶段有较大提升，但增长速度较缓，申请量主要集中在领头企业；第三阶段（2006—2011年）为爆发式增长期，专利申请数量与增长速度均较前一阶段明显提升，在2011年申请量达到历史顶峰；第四阶段（2011—2017年）为衰减期，经历过2011年的申请量高点后，后期申请量呈下降趋势，处于技术瓶颈期。

2.2 专利地域分布

专利申请的地域分布可以反应技术在各个国家的发展水平、受重视程度，美、中国、丹麦、德这五国的申请总量占据所有专利申请总量的82%，是主要技术市场。丹麦是世界上最早利用风力发电的国家，也是世界最大的风电设备生产国之一，其风电比例在整体供电中达到42%，属全球最高。20世纪60年代，由于石油价格下降导致风力发电处于停滞状态，随后由于石油危机的冲击以及化石燃料所带来的严重环境污染问题，风力发电再次受到重视，美、德、丹麦、加拿大等国家大力开发风力发电，是风力发电的大国，拥有相当规模的大型风电场，风能发电已成为可再生能源利用领域的主力军。

2.3 技术演进路线

通过对风轮机叶片各时期的专利文献进行梳理与分析，得出风轮机叶片的技术演进路线。对于叶片设计，典型申请出现于1988年，由DWR风能有限公司系统地研究了叶片各部分厚度、弦长及扭转角对叶片性能的影响，解决了现有技术中由于叶片设计不合理而造成转子负载增加，使得风能利用率低下以及叶片前、后缘损伤的问题。此后的研究主要集中于叶片表面轮廓的设计、叶片的尺寸调节、叶片数量的改变以及其角度改变，除了对叶片后缘的结构进行调整外，还通过对叶片元件各部分进行调整以改变叶片的动力学截面，如在叶片上设置多个叶尖以对叶片表面的空气流进行调节，使得叶片易于在低风速下达到额定功率，同时避免叶片在風速较大的情况下负载过大。尽可能根据使用环境来调整叶片轮廓的角度、数量及尺寸，进而提高风能利用率，避免叶片被损坏。

在材料选择方面，鉴于风轮机叶片巨型尺寸的限制，通常采用玻璃纤维、碳纤维作为增强材料，热塑性、热固性树脂如聚酯树脂、环氧树脂作为基体成型叶片，以实现其轻型化。研究初期一般使用一种增强材料，后期逐渐转向使用多种纤维，或使用金属丝、纳米颗粒与纤维共同增强基体，调控长短纤维的比例及纤维的端部结构，在基体中放入泡沫芯、木芯或金属芯等芯材作为嵌入件，以提高叶片的机械强度，满足其巨型化、轻型化要求。

在成型工艺方面，缠绕成型工艺的研究是最少的。初次利用缠绕成型整体叶片是联合技术公司于1979年采用由管状的内壳、外壳构成，内外壳通过胶黏剂黏合形成锥度结构的中空模芯，将其安装在缠绕机构上，将纤维缠绕在中空模芯外表面以制备风轮机叶片翼梁，成型完成后将中空模芯脱模后得到成型的翼梁结构。后期主要采用缠绕成型工艺制备叶片的局部部件或者预制件，随后利用模具对制作完成的部件进行黏结成型。模压成型工艺是最常用的制作叶片的方法，研究方向主要是提高模制部件的质量，采用的手段主要通过对模具设计、增强材料的铺层顺序、树脂注塑预浸渍工艺以及产品脱模进行改进。

3 结语

随着技术的发展，各个技术分支之间存在大量的交叉研究，通过各个分支之间相互配合以实现技术改进，如针对叶片的巨型化、轻型化设计，成型工艺的研究、材料选择以及模具设计。

参考文献：

[1]叶炯.风力发电机叶片动力学特性研究[D].大连：大连交通大学，2014.

[2]简信.风力发电机叶片制造技术发展动态[J].非织造布，2012（3）：39.

[3]蔡新.风力发电机叶片[M].北京：中国水利水电出版社，2014.

[4]刘靖.风电场运行维护与检修技术[M].北京：化学工业出版社，2015.