復合材料風機葉片設計的現狀與未來

    早在1920年，德國的物理學家Albert Betz 就對風力發電葉片進行過詳細的計算?；诋敃r的計算條件和對風力發電葉片的認識，Betz 在葉片計算時采用了一些假設條件。隨著計算機技術發展，計算手段的顯著提高，風力發電技術的快速發展，人們對風力發電葉片的認識和理解也在逐漸深入。尤其是近十年來，經過研究人員對風力發電葉片進行的多次現場載荷、聲音和動力測量以后，發現葉片的理論預測值與實際記錄值有較大的偏離。這可能是由于過多的相信了風洞實驗，而對葉片服役期間可能遇到的較強動態環境和湍流條件考慮不足造成的。因此，一些相關人員對當時的葉片計算采用假設條件提出了質疑。
    流體動力學計算和軟件的改進使得研究人員能夠更精確的模擬葉片實際的受力狀態。在此基礎上，進一步改善葉片的空氣動力學特征，即使葉片在旋轉速度降低5％的情況下，捕風能力仍可以提高5％；隨著葉片旋轉速度的降低，葉片運行的噪音大約可以降低3dB。同時，較低的葉片旋轉速度要求的運行載荷也較低，旋轉直徑可以相應的增加。在此項研究的基礎上，德國的Enercon 公司將風力發電機的旋轉直徑由30米增加到33米，復合材料葉片也隨著相應的增加。由于葉片長度的增加，葉片轉動時掃過的面積增大，捕風能力大約提高25％。
    Enercon 公司還對33米葉片進行了空氣動力實驗，經過精確的測定，葉片的實際氣動效率為56％，比按照Betz 計算的大氣動效率低約3～4個百分點。為此，該公司對大型葉片外形型面和結構都進行了必要的改進：包括為了抑制生成擾流和旋渦，在葉片端部安裝“小翼”；為改善和提高渦輪發電機主艙附近的捕風能力，對葉片根莖進行重新改進，縮小葉片的外形截面，增加葉徑長度；對葉片頂部和根部之間的型面進行優化設計。在此基礎上，Enercon 公司開發出旋轉直徑71米的2MW 風力發電機組，改進后葉片根部的捕風能力得異提高。
    Enercon 公司在4.5MW風力發電機設計中繼續采用此項技術，旋轉直徑為112米的葉片端部仍安裝的傾斜“小翼”，使得葉片單片的運行噪音小于3個葉片(旋轉直徑為66米)運行使產生的噪音。
    丹麥的LM公司在61.5米復合材料葉片樣機的設計中對其葉片根部固定進行了改進，尤其是固定螺栓與螺栓空周圍區域。這樣，在保持現有根部直徑的情況下，能夠支撐的葉片長度可比改進前增加20％。另外，LM公司的葉片預彎曲專有技術也可以進一步降低葉片重量和提高產能。
    隨著計算機技術和控制技術的進步，近年來，大型復合材料的葉片也向著智能化發展。在新一代的Enercon 葉片中開始采用葉片自動監測和控制系統，監測系統能夠將葉片運行狀態下的數百個電子信息自動的傳遞給葉片的控制系統，計算機管理系統每個月都會報告葉片的運行情況、早期損傷情況，以利于使用者能夠對損傷葉片進行及時的修補。
    LM公司將光纖控制技術用于制造智能復合材料葉片。在大型葉片制造中，尤其是近海風場用的大型風力發電機，由于風場的氣候條件惡劣，監測和維護困難，對外界溫度、葉片裂紋、雷擊等對葉片損傷的早期預警顯得十分重要。為了能夠實現對復合材料葉片的實時監控，LM公司將光纖監控技術用于復合材料葉片的制造，開發出具有智能功能的復合材料葉片。
    在制造大型復合材料葉片時，LM公司將光纖傳感器埋設和固定于復合材料內部。當這種智能復合材料葉片工作時，光纖傳感器就會將葉片工作時的狀態實時反映給數據采集和處理系統，相關數據經過處理后，將其反饋給風力發電機的控制系統。一旦葉片所承受外界載荷（溫度、風速、風載等）超過設計載荷、葉片主體產生裂紋、外界雷擊等可能對葉片造成損傷時，葉片的監控系統就會發出早期預警信號，此時才需要對葉片進行必要的保養和維護工作，可以大大降低葉片的日常維護費用。目前，這項工作正在模擬的外界環境中進行20年服役期的可靠性加速實驗。LM公司目前也將此系統安裝在40米的葉片上進行實驗，不久將在61.5米的葉片上進行試驗。