明阳智能李军向：大型化叶片带来了高发电量、低成本、轻量化的挑战

2019年10月21-24日，2019北京国际风能大会暨展览会（CWP2019）在北京隆重召开，大会主题“风电助力‘十四五’能源高质量发展：绿色、低碳、可持续”。自2008年首次在北京举办以来，已连续举办11届，成为北京金秋十月国内外风电行业争相参与的年度盛会。

10月22日上午，CWP2019风电叶片大型化技术论坛在新国展召开。明阳智慧能源集团股份公司风能研究院副院长李军向出席论坛并发表演讲。他表示，叶片大型化的挑战可以从三个方面来看，第一是我们的客户，也就是业主，他们要求高发电量，毕竟开发商主要看利润。再从我们叶片供应商来看，整机商也是要利润的，会要求低成本，那么叶片就要求低成本，既大型化又要低成本，怎么做到呢？其中很重的一个方面就是我们的产品、风机部件必须轻量化，所以我认为，其实不管是整机还是叶片，我们的挑战都是来于这三个方面，高发电量，低成本和轻量化。

以下为发言全文：

李军向：中国风电行业经过了十几年的发展，其实中国的风电早已今非昔比，我们的叶片也是一样的，在座的各位都是跟叶片紧密相关联的一些同行，中国风电真正起步是在2006年，当时新能源法发布，中国风电开始走上了一个长期发展的地步，到今天居于全球第一。我的PPT里面分享一下最近以来我们一些思考和体会，主要包括三个方面，一个方面就是叶片发展的趋势，第二叶片设计的挑战，第三个是即将到来的平价上网我们的应对之策。

发展趋势，发展趋势其实特别明显啊，用一个字来形容的话就是大，这个大其实有几个含义，第一个就是我们的风机规模庞大，规模庞大又包括几个方面，第一我们的规律，无论是陆上还是海上，尤其是海上的话，就是像这个10兆瓦、8兆瓦马上投入样机或者商业运营，陆上的话其实到今天为止，陆上风电赶上前几年的海上风电，陆上5兆瓦，6兆瓦即将投入运行，规模庞大尺寸庞大，这给我们带来非常大的一个挑战，这个挑战我也可以从几个方面加以说明。

从根本上来讲，各位同行可能也清楚，我们的挑战其实从三个方面，第一我们的客户，也就是我们的业主，要求什么？高发电量，这个是肯定的，因为开发商我们的业主要讲究利润。但是作为我们供应商来讲，从我们的整机作为叶片专业公司，那它也要利润怎么办？它要求低成本对吧，而且呢要低成本，又怎么做到呢，其中很重的一个方面就是，我们的产品、部件必须轻量化，所以我思考，其实不管是整机还是叶片，我们的挑战都是来于这三个方面，高发电量，低成本和轻量化，具体一下就是从以下几个方面。

第一个方面气动与结构的矛盾，作为设计师出身，我深刻体会到这里面有很多的深刻的矛盾，比如说起动，搞气动的，都是想尽办法尽可能的把这个效率做高，因为气动效率高意味着你的设计是OK的，设计是完美的。但是气动效率高会带来另外一个后果，搞设计的都清楚，载荷一定会相应的提高，至于高多少，那就因人而异了，各个工程师设计可能会不一样，要取得高发电量，高效率，那么我们希望更薄的翼型，以为着有更高的伸出比，就意味着有可能取得高效率。同时要取得高发电量，我们希望这个时度要大，那么时度要大就相当于是必须具有更大的弦长，低成本怎么才能做到，第一要轻，但是轻也不代表低成本，用碳纤维的话我个人的意见，也是我个人的想法，要做到低成本其实真的是很困难，我只单纯的从我们这个叶片本身，我们从这个部件，我们整机场，如果可以通过系统性的思考成本。因为轻了，后端的变展系统，甚至都有可能轻这个系统成本真的有价值去评估。单从结构来讲我们要做到轻的话，还有一点我这里罗列，更大的相对厚度，只有更厚的翼型，最小的弦长，气动与结构的矛盾，在叶片大型化以后体现的更加明显，因为我刚才讲到三个挑战，低成本，高发电量。

我们说有矛盾有矛有盾有解决方案，从翼型稍微展开一下，翼型的影响，气动外形的影响确实很大，而且的话呢，随着叶片大型化，现在我们LM107米，就是已经最近的就是GE在河南已经吊装了这个效益大家也清楚，107米，东气叶片做的很大了，还有京风叶片都做到90米了，所以这么大的叶片它的气动设计，它的影响是非常关键的。那么对于气动来讲的话呢，最重要的一方面就是它的翼型，我们比较好的翼型，你比如说我们把翼型厚度增加，通过优化设计又不增加这个性能又不变，因为当翼型厚度增加，它的气动效益会降低，这是可以肯定的，但是我们有一个能够优化出来，厚度增加，性能也不变，这当然是有利于结构了。另一方面能够演唱时速，这有利于我们结构的设计，性能变了速度提高，是梦寐以求的，其实是难度比较大，也是我们的一个方向。还有就是这个降噪方面，因为随着这个分散式机型的发展，中国的风电越来越靠近居民区，那么居民区的话呢，我们造成的要求，白天55分贝，晚上45分贝。

其中翼型，气动翼型的分化，看右上边的表就可以了，系数有所提升，最完美的是深度比有大的提升，这个我认为是最完美的一个优化设计，如果有这样的翼型的话会给我们的结构带来方便。还有一方面就是我刚才讲一个高发的量，现在行业内特别流行气动套件，气动附件的设计，从国外传到国内，是飞机倒流条，夜间小翼等等设计，弥补气动效应的降低这是一个方面。

第二个挑战就是气动和结构的矛盾，一方面从气动考虑，另一方面还是像我们的结构工程师，真的动脑筋在结构方面。挑战2是大型化和轻量化的平衡。从事叶片十来年，叶片终究是一个妥协的产物，妥协其实就是一个平衡，叶片发展到今天的话呢，其实大型化未来已经到来了，实际上又要大又要轻，这中间呢如何找到这个平衡，又要低成本优化设计制造难度又低，我们面临着很多的约束条件，那么我们就如何在这么多的约束条件下，能够把我们的叶片设计的更加优化，叶片更长，重量肯定会增加，但是不要增加太多，我们要算经济账，要算成本对吧。所以我认为解决方案也有，这个轻量化一定是综合考虑的轻量化，那么我们的解决方案在哪里呢，我想应该是在这里。应该是多目标优化，多目标优化呢，这个是完全可以实现的，而且我们已经实现了。多目标优化有两点，一个是这一页讲到的，就是目标多目标优化模型的构建。下面这页PPT我讲到的是约束条件的构建。只有把这两个部分通过我们的努力和思考并结合市场需求把它建立起来，我认为基本可以达到这个大型化和轻量化的一个平衡也就是一个妥协，比如说我们的基础性能，基础性能实际上就是发电量，这个呢我们通常说我们的工作呢是以客户为中心，但实际上这个就是以客户为中心的一个体现，我们是深刻的体会到了这一点，因为我们面对很多的客户，所以一个风机一个产品，整机从研发到样机到批量华有一个长时间的过程，这个产品进入风场，海上风电，进入风场，从根本上来讲我们的客户需要什么，需要高性能，高性能就是高发电量，这个是我们优化的一个关键目标之一，它不一定是唯一的目标。

第二个就是我下面讲到的可靠性设计全生命周期运维成本，整机商有非常痛的体会，如果说我们的整机，当然今天我们是讲叶片，无论是设计也好，还是生产制造也好，如果说有隐患的话呢，将会给我们的将来运维带来极大地负担，这个负担真的是很大，所以可靠性目标是我们的优化的方向之二。

随着我们在样机开发的时候就应该将这点纳入到我们多目标模型当中，叶片成本毫无疑问呢，我们说算账，算经济账，这个叶片成本是我们关键目标之三。每个公司可能考虑的变化量不一样，比如说中科宇能你们考虑不同的目标，本质上可以有所不同工程现场的建设成本，制造成本等等安装运维等等。

如果要取得这个大型化和轻量化的一个平衡和妥协的话呢，我必须要把这点讲出来，材料？为什么？我们多目标优化当中讲关键之一，叶片成本，虽然咱们叶片的同同仁是知道的，叶片材料占叶片成本80%，甚至85%以上，实际上我们说要低成本，材料不低成本你如何做到低成本呢，但是这是个矛盾。因为低成本的材料意味着低性能，所以我们现在叶片材料可选余地是非常有限的，我们只能有限选择当中做到灵活性，灵活性已经有所罗列，包括全玻纤碳玻混铺、碳玻混编PS/SS单面碳玻混、全碳纤主梁等。

图中所示，横坐标是重量，纵坐标是成本，重量要轻的话用高性能材料，我们说的纯碳或者说碳玻混，低成本的话那就是要往右边走，成本，但是这个性能就降下来，所以终究这还是一个矛盾的妥协。

下一个关键问题挑战，凡是搞设计出身的应该是在这一点上应该是跟我们都有非常大的共同语言，气弹问题，尤其叶片大了以后气弹问题变得尤其突出，以前50多米，60多米，甚至40多米，1.5，2.0，甚至3.0，气弹问题根本不突出，我们甚至感觉不到它的重要性，我们都觉得它不存在，但是这个叶片大型化以后呢，它突然就冒出来了，而且成了我们一个问题，所以我们必须要解决它，那么气弹实际上是一个上升问题，分为两个部分，一个是失速颤振，一个是经典颤振，失速颤振挥舞和扭转的耦合，经典颤振是摆正和扭转的耦合。气弹问题有四个方面，扭转质心、流体附着，扫略，只是服务于表面这个问题无法从根本上解决掉。这是一些解决方案，我们是包含了这个气动和结构。这些验证方法，我认为真的非常重的方面，但是国内这一块呢非常遗憾的是做的不好，我们很多时候直接略过去了，虽然我们的验证机结束了，其实真的没那么简单，我们应该从样品部件，到整机因为这一套来验证，验证我们的解决方案，需要咱们中国的风电行业的进一步发展，这个是我引用的四项模式的改变这个极其重要。所以我是引用的，但是及其重要，各位在座的叶片同行我觉得真的是很有必要去深入的应用这个表，一定要做到精细化设计，只有做到精细化设计才有可能在低成本的情况下做到轻量化。

刚才讲精准分析，这只是举了一个例子，模型的建议，这个我们鉴衡认证也是深有体会。这个建模的不一样会导致结果差别非常大，本来是合格的，由于建模的原因导致它不合格，所以这个就亏大了。这张稍微提一下，裂纹的扩展，我讲的是一个过程分析，裂纹是持续扩展的，作为整机商的话我们刚才讲运维，现在的现状是只要有裂纹就维修，然后又要高空作业。

测试验证刚才已经讲了，然后就是稍微提一下这个应对平价上网，平价上网主要是电价会越来越低，我们的电价到今天走过了好几个阶段，到现在的标杆上网电价，我认为要平价上网这应该是一个系统工程，从整机商、电网、运营商、EPC等等，平价上网让我们充分的把成本降低，这是个矛盾体，成本降低同时考虑一二三四五六等方面，从各个方面综合进行考虑。

谢谢各位，我的演讲到此结束。

（根据演讲速记整理，未经演讲人审核）