水平軸風輪機葉片技術綜述

朱敏 肖橫洋 何玉玲

摘 要：風能是新能源中利用技術相對成熟、分布廣泛、經濟環保、可再生的綠色能源。目前，風能利用的主要形式是風輪機用葉片捕捉風，旋轉的葉片驅動與發電機連接的軸，將旋轉運動轉變為電，從而將風的動能轉化為電能。風輪機的核心部件是葉片。本文以水平軸風輪機葉片的專利申請作為分析對象，分析風輪機葉片的專利申請情況、技術發展路線和主要申請人研發方向、分布情況。

關鍵詞：風輪機；葉片；纖維；樹脂

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：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 水平軸風輪機葉片概述

風能是一種可再生新能源，當前獲取風能的方式主要是利用風力發電機組把風能轉化為電能來實現。風能發電機組通常包括風輪機葉片、傳動系統、發電機、儲存設備、塔和電氣系統，風輪機葉片是聯系風與發電機組，直接用于捕捉風能，是風力發電機中最重要的部件之一。風輪機葉片的尺寸從20世紀70年代的5m到2000年的34m，一直發展到2016年的約80m。風輪機按照風輪軸與地面的相對角度可分為水平軸風輪機和垂直軸風輪機，水平軸風輪機在塔頂設有一個風輪軸和發電機，并且指向風中，風輪軸與地面是平行的，葉片應被制成不易彎折且強度足夠高，以抵御由強風造成的攪力、剪力及扭力。垂直軸風輪機包括固定垂直的葉片中心回轉桿塔，葉片中心回轉塔桿與地面呈垂直狀態，葉片可相對中心桿塔旋轉并徑向移動。水平軸風輪機是采用較多的形式，因其當風速過大、功率過高的時候，風輪機能夠被自行抬起從而進行自我保護。

根據葉片的數目可以將風輪機分為單葉式、雙葉式、三葉式和多葉式，現有標準的風輪機的設計發電能力為1～5MW，裝有多枚30～90m長的葉片，通過葉片旋轉帶動發電機將機械能轉換成電能[1]。

影響水平軸風輪機葉片的因素有很多，如葉片長度、葉片輪廓、質量等，風輪機葉片一般由下列參數描述：翼型最大厚度及其位置、對應于葉片橫截面的翼型弦長、中弧線彎度及位置、翼型扭轉角和參考點位置，葉片旋轉過程中，需要同時承受氣動力、離心力和自身重力等復雜載荷的作用，葉片的結構、材料選擇、加工方法等直接影響風輪機的功率和性能。

早期風輪機葉片是采用木材和帆布制造的，由此制作的風輪機葉片空氣動力學效率低，使用過程中需要大量的維護工作，后期上述結構被翼型結構代替，使用纖維、樹脂、金屬構成的復合材料。目前普遍采用纖維增強材料，由于纖維增強樹脂的質量相對較輕，在制作大型葉片時通常使用此種材料。為進一步增強葉片耐用程度，除選擇優異性能材料外，還可在葉片內部設置附件如桁架或翼梁，利用其對葉片的力學分布進行調控，以提升葉片的整體強度，避免局部應力集中而造成葉片損壞[2-4]。

2 技術發展狀況

采用2018年1月前公布的與風輪機葉片相關的專利申請、論文和專業書籍對風輪機葉片技術進行分析和整理。

2.1 申請量年度分布

1978年，風輪機葉片技術首次申請專利，其發展經歷4個階段：第一階段（1978—2002年）為萌芽期，申請量較少，技術處于較低的水平，為風輪機葉片技術起步階段；第二階段（2002—2006年）為緩慢增長期，專利申請的數量相對于第一階段有較大提升，但增長速度較緩，申請量主要集中在領頭企業；第三階段（2006—2011年）為爆發式增長期，專利申請數量與增長速度均較前一階段明顯提升，在2011年申請量達到歷史頂峰；第四階段（2011—2017年）為衰減期，經歷過2011年的申請量高點后，后期申請量呈下降趨勢，處于技術瓶頸期。

2.2 專利地域分布

專利申請的地域分布可以反應技術在各個國家的發展水平、受重視程度，美、中國、丹麥、德這五國的申請總量占據所有專利申請總量的82%，是主要技術市場。丹麥是世界上最早利用風力發電的國家，也是世界最大的風電設備生產國之一，其風電比例在整體供電中達到42%，屬全球最高。20世紀60年代，由于石油價格下降導致風力發電處于停滯狀態，隨后由于石油危機的沖擊以及化石燃料所帶來的嚴重環境污染問題，風力發電再次受到重視，美、德、丹麥、加拿大等國家大力開發風力發電，是風力發電的大國，擁有相當規模的大型風電場，風能發電已成為可再生能源利用領域的主力軍。

2.3 技術演進路線

通過對風輪機葉片各時期的專利文獻進行梳理與分析，得出風輪機葉片的技術演進路線。對于葉片設計，典型申請出現于1988年，由DWR風能有限公司系統地研究了葉片各部分厚度、弦長及扭轉角對葉片性能的影響，解決了現有技術中由于葉片設計不合理而造成轉子負載增加，使得風能利用率低下以及葉片前、后緣損傷的問題。此后的研究主要集中于葉片表面輪廓的設計、葉片的尺寸調節、葉片數量的改變以及其角度改變，除了對葉片后緣的結構進行調整外，還通過對葉片元件各部分進行調整以改變葉片的動力學截面，如在葉片上設置多個葉尖以對葉片表面的空氣流進行調節，使得葉片易于在低風速下達到額定功率，同時避免葉片在風速較大的情況下負載過大。盡可能根據使用環境來調整葉片輪廓的角度、數量及尺寸，進而提高風能利用率，避免葉片被損壞。

在材料選擇方面，鑒于風輪機葉片巨型尺寸的限制，通常采用玻璃纖維、碳纖維作為增強材料，熱塑性、熱固性樹脂如聚酯樹脂、環氧樹脂作為基體成型葉片，以實現其輕型化。研究初期一般使用一種增強材料，后期逐漸轉向使用多種纖維，或使用金屬絲、納米顆粒與纖維共同增強基體，調控長短纖維的比例及纖維的端部結構，在基體中放入泡沫芯、木芯或金屬芯等芯材作為嵌入件，以提高葉片的機械強度，滿足其巨型化、輕型化要求。

在成型工藝方面，纏繞成型工藝的研究是最少的。初次利用纏繞成型整體葉片是聯合技術公司于1979年采用由管狀的內殼、外殼構成，內外殼通過膠黏劑黏合形成錐度結構的中空模芯，將其安裝在纏繞機構上，將纖維纏繞在中空模芯外表面以制備風輪機葉片翼梁，成型完成后將中空模芯脫模后得到成型的翼梁結構。后期主要采用纏繞成型工藝制備葉片的局部部件或者預制件，隨后利用模具對制作完成的部件進行黏結成型。模壓成型工藝是最常用的制作葉片的方法，研究方向主要是提高模制部件的質量，采用的手段主要通過對模具設計、增強材料的鋪層順序、樹脂注塑預浸漬工藝以及產品脫模進行改進。

3 結語

隨著技術的發展，各個技術分支之間存在大量的交叉研究，通過各個分支之間相互配合以實現技術改進，如針對葉片的巨型化、輕型化設計，成型工藝的研究、材料選擇以及模具設計。

參考文獻：

[1]葉炯.風力發電機葉片動力學特性研究[D].大連：大連交通大學，2014.

[2]簡信.風力發電機葉片制造技術發展動態[J].非織造布，2012（3）：39.

[3]蔡新.風力發電機葉片[M].北京：中國水利水電出版社，2014.

[4]劉靖.風電場運行維護與檢修技術[M].北京：化學工業出版社，2015.