自適應蝙蝠裙葉片研發進展

文／何立武

自適應蝙蝠裙葉片研發進展

文／何立武

本發明是空氣動力學與仿生學相結合的產物。自適應蝙蝠裙葉片設計優化了翼型，前沿是剛性的（承受彎力、保持翼型等）；后沿是柔性蝙蝠裙，有一定的適應全風速（不同風速）的能力。能有效提高全風速風能利用系數（大型風電機組10%－小型風電機組19%）；減小切入風速，擴展風電利用地域；高效利用電能，降低風電成本（大型風電機組9%，小型風電機組16%）。

輸出功率全風速提高，小風提高幅度大

（一）自適應蝙蝠裙葉片功率提高百分比

在風輪直徑、葉片數、風速相同條件下，在對比樣機廣州世佳AN－FD400W風電機組（見圖1）換上蝙蝠裙葉片后，功率提高百分比如下：

二級風（3.3m/s，這是大部分地區常有的風速）以下累計功率提高92%；三級風（微風5.4m/s）以下累計功率提高34%；

四級風（7.9m/s）以下累計功率提高19%（詳見表1）。由于所有風電機組在四級風以上，風能利用系數Cp下降、風速在12m/s－14m/s以上開始限制功率保護風電機組不損壞。因此在4級風以上蝙蝠裙葉片至少不會比同直徑和同葉片數的風輪功率小。

應該說明的是，雖然風速測量值可能誤差較大，會對Cp有影響，但不影響與對比樣機功率對比百分數。

（二）自適應蝙蝠裙葉片年發電累計時間長

該葉片即充分利用了經常有的小風；對偶爾遇到大風發電效率也有提高（詳見圖2、圖3），年發電量大，發電成本大幅降低。據中國西北風場統計：其風電機組每年平均發電天數只有111天。使用本發明的風電機組，由于發電切入風速?。ㄒ姳?）、風能利用系數Cp增加較多（見圖3），同樣風場條件下該發明葉片風電機組每年可發電約200天。

（三）自適應蝙蝠裙葉片使用地域廣

現大型風場的標準是年平均風速不低于6m/s,只有中國西北、東北少數地區接近要求，風場難找；使用本發明的風電機組，由于發電切入風速?。ㄒ姳?）、風能利用系數Cp高（見圖3），有可能在全國40%－50%的地區使用，最大限度地利用各地小風風能。

從宏觀上看，假設在風電機組功率相同的條件下，全國年風力發電總量和風電機組數量成正比；和年平均發電時間成正比。由此看來，本發明既能提高全國風電機組裝機數量和地域，又能提高年平均發電時間，能有效地提高全國年風力發電總量。

（四）本發明是空氣動力學與仿生學相結合的產物。該設計也可用于飛機機翼、艦艇螺旋槳外形設計，能提高效率、減小噪音，前景廣闊。

目前葉片存在的主要問題及采用自適應蝙蝠裙設計的理由

（一）現有風電機組存在問題

圖1 廣州世佳AN-FD400W樣機照片

圖2 蝙蝠葉片和樣機葉片功率曲線

圖3 兩種葉片在同一種機組上風能利用系數隨風速變化曲線

表1 功率、轉速、風能利用系數對比表

“小風”不轉；剛轉不發電；剛發電時功率??；“大風”天不常見。以北京為例：每年只有約3天－4天6級風（10.8 m/s －13.8m/s，這是現有風電機組額定功率對應的風速），累計僅約40h，僅占全年0.46%，每年發電量不多。北京年平均風速約2.1m/s－2.3m/s，現有風電機組均不適合在北京使用?，F有風電機組往往額定功率很大，即使在西北、東北地區，年平均發電功率也很小，大多虧損。年平均發電功率主要和年平均風速密切相關。年發電量與年平均發電功率成正比，與額定功率反差很大。圖4、圖5是按文獻給出的數據繪出的2條曲線，其年平均風速約3.7m/s，比北京高得多。

從第1條曲線可以看出，小風雖然單位面積功率（功率密度）小，但年累計時間長，年累計風能并不??；大風單位面積功率大，但年累計時間短，年累計風能并不大。

從年單位面積風能總量看，第2條曲線給出：2.5 m/s和15 m/s、4 m/s和12 m/s年單位面積年風能總量是相同的。因此按設計點（8 m/s）和額定功率風速（12 m/s －13 m/s）設計的風電機組在大多地區使用是不合理的。就像鳥兒可以用不同的速度飛行一樣，用本發明設計葉片，既適應年平均風速小的地區，又兼顧了年平均風速大的地區，以適合多數地區使用。提高年發電總量、并降低成本才是我們的奮斗目標。

（二）現有的剛性葉片有先天不足

主要表現：一是剛性葉片減小切入風速與增大大風風能利用系數Cp（風電機組功率與相應風功率之比）是一對矛盾。如小型風電機組起動風速較低，但大風風能利用系數小，損失了大風能量。大型風電機組大風風能利用系數較大，但切入風速大（3.5 m/s – 4.0 m/s ），損失了小風能量。雖然大型風電機組可通過增大葉片槳矩的辦法降低起動風速，但風輪轉速上不去，不能發電。必需在恢復槳矩后，風輪轉速才能在切入風速時達到發電轉速。

二是剛性葉片的升力無法用增加寬度的辦法提高。和機翼、直升機旋翼一樣風電葉片追求大展弦（相當于長寬）比提高升阻比。如用增加弦長的方法增加葉片升力，但阻力增加得更快，升阻比反而下降是不利的。因此，風電機組為增加功率風輪直徑越來越大，塔架越來越高,帶來諸多問題。

為解決上述兩個問題，我們應該向經過多少億年進化而來的蝙蝠、鳥類學習。蝙蝠、鳥類翅膀展弦比小，能在較大的速度范圍內林中飛行，能耗低、效率高。蝙蝠、鳥類在翅膀比較寬（展弦比?。┑臈l件下飛行水平這么高，其關鍵是它們的翅膀是柔性的，能在展弦比較小的條件下獲得較高的升阻比。

筆者以為，目前只有用自適應蝙蝠裙方法設計葉片才能實現：大風功率能增加，小風功率增加得更多，具有一定的全風速高效發電能力。

圖4 某地同一風速時間占全年比例隨風速變化曲線

圖5 某地每年每平方米風能量隨風速變化曲線

當前工作目標

（1）優選合作伙伴；

（2）改進現有葉片，提高發電效率;

（3）針對新風電機組，設計高效葉片；

（4）進一步完善自適應蝙蝠裙葉片，進一步提高風能利用系數Cp，并使Cp曲線更加平坦。

（作者單位：總參陸航部裝備局）