自适应蝙蝠裙叶片研发进展

2014-03-10何立武

风能 2014年6期

文／何立武

自适应蝙蝠裙叶片研发进展

文／何立武

本发明是空气动力学与仿生学相结合的产物。自适应蝙蝠裙叶片设计优化了翼型，前沿是刚性的（承受弯力、保持翼型等）；后沿是柔性蝙蝠裙，有一定的适应全风速（不同风速）的能力。能有效提高全风速风能利用系数（大型风电机组10%－小型风电机组19%）；减小切入风速，扩展风电利用地域；高效利用电能，降低风电成本（大型风电机组9%，小型风电机组16%）。

输出功率全风速提高，小风提高幅度大

（一）自适应蝙蝠裙叶片功率提高百分比

在风轮直径、叶片数、风速相同条件下，在对比样机广州世佳AN－FD400W风电机组（见图1）换上蝙蝠裙叶片后，功率提高百分比如下：

二级风（3.3m/s，这是大部分地区常有的风速）以下累计功率提高92%；三级风（微风5.4m/s）以下累计功率提高34%；

四级风（7.9m/s）以下累计功率提高19%（详见表1）。由于所有风电机组在四级风以上，风能利用系数Cp下降、风速在12m/s－14m/s以上开始限制功率保护风电机组不损坏。因此在4级风以上蝙蝠裙叶片至少不会比同直径和同叶片数的风轮功率小。

应该说明的是，虽然风速测量值可能误差较大，会对Cp有影响，但不影响与对比样机功率对比百分数。

（二）自适应蝙蝠裙叶片年发电累计时间长

该叶片即充分利用了经常有的小风；对偶尔遇到大风发电效率也有提高（详见图2、图3），年发电量大，发电成本大幅降低。据中国西北风场统计：其风电机组每年平均发电天数只有111天。使用本发明的风电机组，由于发电切入风速小（见表1）、风能利用系数Cp增加较多（见图3），同样风场条件下该发明叶片风电机组每年可发电约200天。

（三）自适应蝙蝠裙叶片使用地域广

现大型风场的标准是年平均风速不低于6m/s,只有中国西北、东北少数地区接近要求，风场难找；使用本发明的风电机组，由于发电切入风速小（见表1）、风能利用系数Cp高（见图3），有可能在全国40%－50%的地区使用，最大限度地利用各地小风风能。

从宏观上看，假设在风电机组功率相同的条件下，全国年风力发电总量和风电机组数量成正比；和年平均发电时间成正比。由此看来，本发明既能提高全国风电机组装机数量和地域，又能提高年平均发电时间，能有效地提高全国年风力发电总量。

（四）本发明是空气动力学与仿生学相结合的产物。该设计也可用于飞机机翼、舰艇螺旋桨外形设计，能提高效率、减小噪音，前景广阔。

目前叶片存在的主要问题及采用自适应蝙蝠裙设计的理由

（一）现有风电机组存在问题

图1 广州世佳AN-FD400W样机照片

图2 蝙蝠叶片和样机叶片功率曲线

图3 两种叶片在同一种机组上风能利用系数随风速变化曲线

表1 功率、转速、风能利用系数对比表

“小风”不转；刚转不发电；刚发电时功率小；“大风”天不常见。以北京为例：每年只有约3天－4天6级风（10.8 m/s －13.8m/s，这是现有风电机组额定功率对应的风速），累计仅约40h，仅占全年0.46%，每年发电量不多。北京年平均风速约2.1m/s－2.3m/s，现有风电机组均不适合在北京使用。现有风电机组往往额定功率很大，即使在西北、东北地区，年平均发电功率也很小，大多亏损。年平均发电功率主要和年平均风速密切相关。年发电量与年平均发电功率成正比，与额定功率反差很大。图4、图5是按文献给出的数据绘出的2条曲线，其年平均风速约3.7m/s，比北京高得多。

从第1条曲线可以看出，小风虽然单位面积功率（功率密度）小，但年累计时间长，年累计风能并不小；大风单位面积功率大，但年累计时间短，年累计风能并不大。

从年单位面积风能总量看，第2条曲线给出：2.5 m/s和15 m/s、4 m/s和12 m/s年单位面积年风能总量是相同的。因此按设计点（8 m/s）和额定功率风速（12 m/s －13 m/s）设计的风电机组在大多地区使用是不合理的。就像鸟儿可以用不同的速度飞行一样，用本发明设计叶片，既适应年平均风速小的地区，又兼顾了年平均风速大的地区，以适合多数地区使用。提高年发电总量、并降低成本才是我们的奋斗目标。

（二）现有的刚性叶片有先天不足

主要表现：一是刚性叶片减小切入风速与增大大风风能利用系数Cp（风电机组功率与相应风功率之比）是一对矛盾。如小型风电机组起动风速较低，但大风风能利用系数小，损失了大风能量。大型风电机组大风风能利用系数较大，但切入风速大（3.5 m/s – 4.0 m/s ），损失了小风能量。虽然大型风电机组可通过增大叶片桨矩的办法降低起动风速，但风轮转速上不去，不能发电。必需在恢复桨矩后，风轮转速才能在切入风速时达到发电转速。

二是刚性叶片的升力无法用增加宽度的办法提高。和机翼、直升机旋翼一样风电叶片追求大展弦（相当于长宽）比提高升阻比。如用增加弦长的方法增加叶片升力，但阻力增加得更快，升阻比反而下降是不利的。因此，风电机组为增加功率风轮直径越来越大，塔架越来越高,带来诸多问题。

为解决上述两个问题，我们应该向经过多少亿年进化而来的蝙蝠、鸟类学习。蝙蝠、鸟类翅膀展弦比小，能在较大的速度范围内林中飞行，能耗低、效率高。蝙蝠、鸟类在翅膀比较宽（展弦比小）的条件下飞行水平这么高，其关键是它们的翅膀是柔性的，能在展弦比较小的条件下获得较高的升阻比。

笔者以为，目前只有用自适应蝙蝠裙方法设计叶片才能实现：大风功率能增加，小风功率增加得更多，具有一定的全风速高效发电能力。