風能，大自然饋贈的綠色能源。風力發(fā)電機組的出現(xiàn)，成功捕獲了風能并將之轉(zhuǎn)化為電能。葉片作為風力發(fā)電機組的核心部件之一，其性能不僅關(guān)系到自身的可靠性，還關(guān)系到風力發(fā)電機組其他部件，甚至整個機組的安全。因此葉片檢測技術(shù)是保證葉片質(zhì)量、風力發(fā)電機組穩(wěn)定運行乃至我國風電產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵。
近日，由北京鑒衡認證中心承擔的國內(nèi)最長的SR5.0-WB171型風電機組葉片全尺寸試驗順利完成。該葉片是國內(nèi)最長、全球第二長葉片，試驗自2017年7月啟動，歷經(jīng)14個月。本次試驗嚴格按照國際電工委IEC61400-23：2014標準要求開展，試驗的順利完成為未來120米甚至更長葉片全尺寸試驗測試系統(tǒng)的研制積累了經(jīng)驗和奠定了良好的基礎(chǔ)。
全尺寸測試保障葉片安全運行
風電機組是全天候野外自然環(huán)境下運行的發(fā)電設(shè)備。葉片在服役期間要時刻承受來自大自然狂風驟雨的洗禮，這就要求葉片具有足夠的剛度和強度，即具有一定的變形要求、極限強度和疲勞壽命。北京鑒衡認證中心風能葉片部部長張金峰在接受科技日報記者采訪時表示，由于葉片結(jié)構(gòu)極為復雜，幾何外形極不規(guī)則，所用原材料品種規(guī)格較多，不同生產(chǎn)工藝對葉片強度影響很大，無法僅僅通過計算分析完成對葉片設(shè)計安全性的評估。同時，在“降本增效”的壓力下，隨著風電技術(shù)的發(fā)展，葉片重量越來越輕，越來越長，對結(jié)構(gòu)強度設(shè)計提出了更高的要求。測試作為聯(lián)系理論設(shè)計和實際工程的紐帶，是驗證產(chǎn)品設(shè)計的最后一環(huán)。因此必須進行全尺寸測試，對葉片設(shè)計、制造工藝、實際承載能力和使用壽命進行綜合驗證，保證葉片安全運行。
經(jīng)過多年的發(fā)展，目前國際上已經(jīng)形成了較為完善、統(tǒng)一的葉片測試標準和規(guī)范，如國際電工委發(fā)布的IEC61400-23標準規(guī)定了葉片型式測試，包括葉片重量重心、固有頻率和模態(tài)分析、靜力強度測試和疲勞測試等。“葉片全尺寸測試已經(jīng)成為葉片產(chǎn)品投入市場的準入門檻。”北京鑒衡認證中心研究院副院長俞輝表示。
測試技術(shù)升級滿足產(chǎn)品更新
“葉片尺寸大、載荷大，葉片長度甚至可以達到百米級，因此葉片測試對檢測系統(tǒng)的規(guī)模要求大，同時加載精度要求也高，這一直是葉片測試的難點。”張金峰認為，若市場無匹配的檢測系統(tǒng)，或者檢測系統(tǒng)能力不足，會導致無法真實驗證產(chǎn)品，甚至導致葉片損壞，將大大影響葉片研發(fā)周期和葉片投入市場的進度，阻礙整個風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
為適應不斷更新的葉片產(chǎn)品和不斷提高的測試要求，測試技術(shù)和測試系統(tǒng)也在不斷升級。
在靜力測試過程中，如何精確監(jiān)測葉片的位移軌跡一直是個技術(shù)難點，也是評估葉片設(shè)計制造一致性的重要指標。由于葉片在加載過程中會發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)，導致所安裝的激光位移傳感器無法獲取有效的數(shù)據(jù)。針對這一問題，張金峰帶領(lǐng)團隊基于最為常用的拉線式位移傳感器結(jié)合幾何數(shù)值分析設(shè)計開發(fā)了一套完整的三向位移測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對同一點三個不同位移的數(shù)值分析獲得該點的位置，能夠獲取整個測試過程中葉片的位移軌跡，充分利用實驗室的設(shè)備，有效降低了成本。
在疲勞試驗中，目前常用方式為電動機帶動擺臂旋轉(zhuǎn)。但隨著葉片長度與功率的增加，其所承受的載荷逐漸增大，尤其是疲勞載荷的增加，之前的加載模式會在葉片加載位置引入扭轉(zhuǎn)載荷導致葉片破壞。為解決這一技術(shù)難題，鑒衡團隊分別開發(fā)了一系列的對稱式擺臂加載裝備，有效解決了試驗中加載設(shè)備的偏心問題，保護葉片測試過程中免受其他載荷干擾，在國內(nèi)得到了推廣與應用。
隨著風電開發(fā)的逐步深入，多兆瓦大型風力發(fā)電機組，尤其是5MW乃至10MW以上大功率風電機組已經(jīng)成為設(shè)備制造企業(yè)新產(chǎn)品研發(fā)的重點。為此，北京鑒衡認證中心目前已在廣東省陽江市申請籌建“國家海上風電裝備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心”，并獲得認監(jiān)委批準。后續(xù)將在該檢測中心建設(shè)適用于大型海上風電機組150米長葉片的公共測試系統(tǒng)。“目前我團隊正在研發(fā)的雙自由度加載技術(shù)、新型加速疲勞技術(shù)等先進測試技術(shù)有望在該監(jiān)督檢驗中心得到應用。”張金峰表示。
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建立國家級測試平臺促風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展
在我國風電發(fā)展初期，完全符合國際標準要求、適應大兆瓦機組葉片全尺寸試驗的測試平臺比較缺乏，因此建設(shè)符合國際標準，滿足國內(nèi)需求的葉片測試平臺刻不容緩。
2010年，在保定市高開區(qū)政府的支持下，國家發(fā)改委能源所聯(lián)合北京鑒衡認證中心啟動了葉片測試平臺的建設(shè)。從標準研究、加載系統(tǒng)開發(fā)、測試平臺搭建等方面逐一開展工作，歷時2年多建成了當時亞洲最大的葉片公共檢測系統(tǒng)平臺。2011年國家能源局批復依托北京鑒衡認證中心成立“國家能源風能太陽能仿真與檢測認證技術(shù)重點實驗室”，葉片檢測系統(tǒng)平臺也成為該重點實驗室的重要組成部分。據(jù)張金峰介紹，國家重點實驗室建成至今已完成上百支不同型號的葉片全尺寸測試，并在2017年到2018年間完成了目前國內(nèi)最長、世界第二長和國內(nèi)最重的葉片測試。
