主题发言

LM Wind Power总监徐岚:大型海上叶片面临的挑战

2021-03-26    东方风力发电网

  非常高兴有这样的一个机会代表LM Wind Power公司给大家介绍一下LM Wind Power是怎么看待大型的海上叶片目前面临的一些挑战的,也希望能够跟在座的各位专家有更深入的一些讨论。


  在开始讨论这个议题之前,我先简单的介绍一下LM Wind Power公司,LM Wind Power是在风能行业里面专注叶片设计和生产的一家公司,它具有全球化的产能和供应链的布局,在全球大概有十三家工厂,同时在中国有四家工厂,分别是在秦皇岛、天津、江阴、福建。全球雇员是一万三千名雇员。同时从1978年开始,LM Wind Power就开始为风能行业提供叶片,在去年也产出的叶片达到1.3万只以上。


  在这里我想特别请大家看一下,右下角有一个白圈,里面写到了LM Wind Power在2018年就已经达到了碳中和的一家企业,所以这个主题和我们这次的高峰论坛的主题是非常契合的,也就是开始新征程,拥抱碳中和。


  作为整个风机里面起发动机作用的就是这个转子,转子里面最重要的一块构成就是这个叶片,叶片它实际上直接影响了整个风机的发电性能,也就是说你叶片捕捉风能的效率直接决定了你风机的最后的发电量,当然里面还有其他的因素,和你的控制策略也有相关性,但是叶片本身的气动外型的优化设计是保障你风机最终能够很好的捕捉风能的一个非常必要的工作。


  第二个就是叶片的生产以及你在这个工厂里面,你这个工厂具有多大的产能可以供应,可以生产多少只叶片。叶片的生产本身也是一个资本密集型和劳动力密集型的一种企业,它的工厂规划,在什么地方建厂,这些也都有非常大的一些影响。同时,叶片也需要对环境持续的做出贡献,因为它是新能源,对于改善环境是一个可持续发展的一个能源的方式。总体来说,叶片从它的设计一直到设计,对你整个风机的投资回报,以及风机的性能都有非常大的一些影响。


  大家看一下右边的这个图,这个实际上是随着时间轴,纵轴是叶片的长度,随着时间往前发展,大家可以看到,这个叶片的尺寸也是越来越大,而且它并不是一个完全的线性的,尤其是这几年大家的感受可能也比较深刻,就是一个长度的叶片在市场上迭代出来非常非常的快,新的长度出来非常的快,以往可能你一款叶片出来,在这个市场上可以生存三年、五年,然后才会有一款新的叶片再出来在这个市场上面,但是这几您发展的非常快,一般一款叶片可能在市场上的生命周期大概也就是在两年左右,两年或者是三年。所以这个大家也可以看到,随着时间往前走,它实际上上升的斜力是变大了,所以这一块儿也为整个叶片的研发带来了一个非常大的挑战。


  这一块儿大家可以看到,LM Wind Power原来的几款叶片的对比,从73.5长度,到88.4,以及到现在的107米的长度,大家可以看到,它整体的尺寸变化非常大,从它的前缘以及到最下面大家可以看到它长度的对比,给人的印象还是非常非常的深刻的。


  这样的一些超长、超大的叶片,如果我们不从材料的角度,不从设计的角度来想办法,随着它的长度尽量的降低它的重量的话,那么如果我们保持原来的材料系统,你就会发现当我的叶片越来越长的时候,我的叶片的重量根本不是你的风机传动链系统所能承受的,塔筒所能承受的,你整个风机非常的重,整体的造价是不能够接受的,也无法适应平价的要求。这一张图主要是显示出了当我们采用不同的材料,尤其是说最开始我们可能采用常规的一些玻纤的材料,后面有一些高模量的玻纤,还有超高模量的玻纤,今天上午前面也有专家说到了玻纤拉挤,或者是碳纤的拉挤,其实我们最终的目的就是当我们这个叶片做的越来越大的时候,我仍然能够保持我叶片的重量在一个可以接受的范围内,保证我整个风机的造价水平在一个你可以接受的范围内。


  风机在制造上它有着非常非常多的要求,首先就是它的材料,玻纤的材料,还有碳纤的材料,还有各种不同的生产工艺的过程,还有一个就是叶片最终能够捕捉多少风能,虽然跟你的风机的控制系统都有相关性,但是从根本上能够捕捉风能的效率,还是取决于你叶片的气动外形的设计,气动外形从本质上决定了你这个叶片捕捉风能效率的高低。但是实际上在气动设计的时候也涉及到了非常多的方面,比如说我们可能要看输出的问题,还有你是不是有气团稳定性的问题,尤其是叶片越做越长的时候,气团稳定性的影响就会变的非常大,因为当你的叶片短的时候你可能还感受不到这种气团稳定性对你这个叶片设计里面的影响,但是随着叶片的长度越来越长,我们必须要考虑这种气团稳定性,也就是说当我在做这个叶片的迭代,创建这个模型的时候,我必须要把这个非线性的因素掺入进去进行考虑,否则的话,当我这个叶片越来越长的时候,你就会发现你的这个叶片容易出现一些不稳定的状况,它可能进行我们所说的有一些不合适的一些振动的情况。还有一个,我这个叶片在某种风况下,在某种空气密度下是不是能够稳定的工作,我们必须要保持它有一定的失速余量,大家都清楚,我的风片一旦出现失速的情况的话,我们是可以非常的明显的看到它的功率会有掉下来的情况的发生,所以这些情况在气动设计的时候都必须要考虑进去。同时,超长的叶片对于结构设计方面也提出了一些挑战,因为它是在海上应用,所以我们对叶片应用的可靠性要求也比较高,所以我们在做结构设计的时候就要保证它的高可靠性,还要保证它结构的稳定性,在叶根部我如何进行设计,这个都是在做结构设计的时候必须要考虑的因素。


  设计的再好的产品,如果在生产的环节出了问题,那么最终交付到客户手中的产品也不会是一个好的产品,所以在这个地方我也不得不提这个生产工艺设计的一个问题,因为你的叶片越来越大的时候,如果说你在生产工艺上不进行优化,没有一些新的想法的话,那就意味着你可能会有一个非常长的占模时间,那就意味着你的生产效率是非常低的,你的生产成本也是非常高的,所以对于这种超长超大的叶片,生产工艺的设计必须是其中必须要考虑的一不能。


  最后一部分就是我们在海上运用,你的防雷,防腐的这一块儿是必须要进行考虑的,尤其是防腐这一块儿,如果叶片越来越大,你的叶尖数就会非常非常的高,叶尖数的增加直接带来的就是防腐问题,它腐蚀了直接就会影响你的气动外形,气动外形产生了变化,你就会发现它的整个风机的发电量就会下降的比较厉害。


  这种超长超大的叶片在生产过程中,它肯定会带来一些非常大的挑战,不但是生产,这种超长超大的叶片你还有运输的过程,你到了现场的安装等等,都会受到非常大的影响。所以巨大的尺寸带来的挑战不单纯是针对叶片本身,还针对着叶片相关的一些安装、维护,然后还有你在工厂可能你有时候这个叶片需要固定,这些都会带来比较大的一些影响,需要在这个过程中进行考虑。


  第二个就是模铸,就是当你的叶片非常大的时候,如果你仍然采用传统的生产工艺,你会发现你的在模时间会非常长,你整体的工厂或者是一套模具的产出产能就会非常低,在这种情况下,我们也必须要考虑这种超大型的叶片可能会采用一些预置的方式,模块化设计的方式,来减少或者是减短这个模铸的占模时间。还有一个就是工艺面临的挑战,这么大的尺寸,我怎么在这么大的尺寸制造过程中进行质量控制,我如何保证在生产的过程中,我这些工艺都是合理的,我能够合适的减少缺陷,然后针对这些缺陷我能够有效地减少,同时如何保证高效的生产节奏。


  最后还是这个地方,大家可以看到,我的大尺寸叶片在生活过程中的安全问题,你在生活过程中如何保证人身安全,还有大尺寸叶片在转运的过程中如何保证安全,这些因素都必须要考虑,而且在处理或者是说在进行这么大叶片的处理的过程中,它和原来的那种相对来说比较短的叶片就会有一些非常不一样的处理方式,这些都应该纳入到整体的规划当中去。


  这一页就是针对这种超大型的叶片,从我们的角度来讲,我们觉得还是从碳拉挤的工艺可能是未来发展的方向,当然碳纤维在材料上的应用用常规的真空灌注的方式,或者是其他的拉挤工艺方式,从碳拉挤的工艺方式来讲,它是可以最大限度的发挥碳纤维本身的材料特性的,所以它能够在重量上和生产周期上都会相对来说有一个比较好的性价比,或者说投入成本和产出比。


  接下来我想给大家分享一下关于前缘保护的一块儿,因为在海上运用,然后大尺寸的叶片比较高的这种叶尖的转速会带来一个直接的问题,就是说我这个前缘腐蚀的风险会急剧的升高。对于这个前缘,我们必须要有一定的解决方案,就是说我要保护我这个前缘,保护我这个前缘在运行的过程中间它能够延迟腐蚀的情况,或者说减少它会受到腐蚀的风险。


  在这里我给大家介绍一下LM Wind Power现在有一款新的前缘保护的产品,就是PBU,这款产品是专门针对前缘保护,寿命比较长,可以实现快速的安装,以及AEP的损失也会比较小。大家可以看到,在这个地方,实际上保护这个PBU的这个产品,在LM Wind Power这边已经通过了非常多的一些测试,包括雨蚀的测试,附着力,还有UV的老化实验和相关的测试都已经做过。它安装的温度范围相对来说也比较宽,比较宽的温度范围有一个好处,就是说你可以在一个比较长的时间窗口里面有时间进行这种安装,尤其是这个解决方案也适用于,不但是在工厂里新生产的,新的叶片上面我可以做这种安装,我也可以在现场进行安装,在现场的时候你有一个比较宽的可以工作的温度范围会否认有利。


  这一块儿给大家展示一下,就是LM Wind Power在推出PBU这款产品过程中我们做了什么方面的测试,左边的这个图,实际上最下面我们是从材料的这一块儿,从原材料的等级开始做,然后我们基于原材料的特性做了右边相应的测试以后,这是一个金字塔,大家可以看的比较清楚,我们会在一个比较简单外形的一个样板上做一些需要的相关测试。当我这个比较简单外形的样板做完了以后,我又会在复杂的外形样板上做相关的测试。最后我们还会在带有前缘保护的样板上来做,最后是在整机的,就是全尺寸的叶片上做在现场的测试。所以大家可以看到,LM Wind Power在推出这样的一个解决方案的时候是非常谨慎的,从材料这一级一直到全尺寸的叶片的这一级,我们做了非常非常多的测试实验,来保证PBU这个产品在海上的这种比较严酷的使用环境下,仍然能够降低前缘腐蚀的风险。


  这一块儿就是对市面上的一些其他的产品的一个比较,比较下来的结果大家可以看到,就是一个是它安装是可以比较快速安装的,另外它要达到你的需要的硬化的程度,也是花比较短的时间就可以达到的。同时由于是比较宽泛的可以操作的温度窗口,也会减少我们的停机时间,同时当我们在考虑前缘保护的方案的时候,必须要做的一个工作就是要看它,由于我安装前缘保护的这个产品而造成的一个发电量方面的损失,这一块儿也是在整个产品设计过程中间考虑的,保证它有一个比较小的发电量的损失。


  前面我介绍了一下对于海上大型叶片的一些挑战需要考虑的因素方面的一些想法,给大家介绍了一下LM Wind Power的前缘管控的一个新产品。最后这一页就是一个总结页。我觉得这一块儿用这个变化的发展历程来看我们这个叶片设计生产的一个历程,还是有非常相似的一些地方的。比如最开始我们是有一个有线的变化,它的工作性能还是挺好的,通话性能也是不错的,但是它的功能实际上是非常受限的,那个时候你没有办法发短信,也没有办法发各种带有图片的这种信息方式。那么后来我们就用手机了,但是那个时候的手机可能就是发短信,可能还有像微信这样的一些APP,可以有不同的APP在上面,可以在上面进行不同的功能操作,大家就会觉得非常的方便。最后就是我们现在的这种变化的方式,它已经涵概了我们生活里面的方方面面,包括你购物,包括你想用什么样的功能都可以用这个APP来支持,你电话实际上在这样的一个硬件载体上,通过软件来定义电话的各种功能,你会发现它也打开了一个新的窗口给到大家,在开始在大家使用有线电话时根本不可能想象到的情况。所以我觉得这一块儿运用到我们这个风能的发展,运用到我们叶片设计和生产的发展是非常有这种类似性的。


  那么我们现在又面临着一个非常大的挑战,就是平价上网的问题,平价上网的这个问题,实际上反过来对我们大家讲的就是一个效率问题,就是你怎么设计出来一个高效率,你怎么能够高效的进行生产,从而能够降低你的成本,真正的能够实现在平价上网的情况下我们整个行业还能够健康发展下去。


  以上就是我代表LM Wind Power做的一些小的想法跟大家的分享,也希望接下来大家如果有其他的问题,我们可以更加深入的讨论。谢谢。(内容来自现场速记,未经本人审核)