風力發電機風輪現存在的問題和改進方向

發明和專利權人何立武

    摘要：風力發電機的自適應風輪，可實現：風速1米/秒條件下起動；其性能：風速在3～5米/秒條件下，和現有直徑相同的風輪相比發電功率至少增加50%。在更大的風速條件下，發電功率增幅會有所下降，但仍會增加。

    全球石油和煤炭資源面臨枯竭，傳統能源價格不斷上漲，環境污染日益嚴重。各國都在積極開發清潔的可再生能源，并把希望寄托于風能和太陽能項目。但是，目前風能和太陽能的發電成本遠比水電和火電高。據觀察，現有的風力發電機，特別是大功率風力發電機，多半時間都處于停機狀態；部分風電場的風機雖然在轉動，但發電量不高；還有個別地方的風電項目被外界稱為“形象工程”。綜合看來，目前的風電場風機的利用效率并不高。是什么影響風機效率呢？筆者認為，風力發電機效率高低的關鍵在于風輪。

    一.現有風機風輪存在的主要問題

    現有風機發出額定功率的條件是，風速11～13米/秒（6級風），據觀察，北京地區6級以上的大風每年只有幾天。現有風機的額定功率往往很大，但年平均發電功率卻很小。據了解，北京地區年平均風速約3米/秒，這正是大型風機的起動風速，如何在北京發電？現有風機效率低的主要原因有如下3條。

    1.風輪實度低，造成風能利用系數小
    我國現有的各種大小風機風輪多數只有3片風葉，葉片細而長，其實度（葉片總面積與掃過的面積之比）僅約4%。與之可類比的直升機旋翼葉片的數量是隨直升機的重量增大而增加。例如，4噸重的“直9”直升機是4片旋翼，直徑為11.5米；56噸重的“米-26”是8片旋翼，直徑是32米。直升機旋翼的實度約為8%，是風機風輪實度的2倍。旋翼是直升機的關鍵技術，各國投入巨資進行吹風等研發試驗，目前該技術已經成熟，旋翼技術是風機風輪設計的可靠參照實例。和直升機旋翼相比，由于風機風輪的實度低，目前風力發電機的效率必然較低。

    2.風輪風葉翼型是固定的，不能適應不同的風速
    風力發電機風輪風葉的翼型一般按風速8米/秒設計的，在此條件下風能利用系數最高。由于風速大小是隨機的，無論風速小于或大于8米/秒，風葉效率（升阻比）都會下降，這與直升機旋翼定速旋轉完全不同。風輪葉片大部份時間都在非設計狀態下工作，不但總體效率低，而且起動困難。

    3.目前的風輪葉片無法靠增加寬度的辦法提高實度
    飛機機翼設計成大長、寬（展弦）比，才能獲得較大的升阻比，并具有較高的效率。如果單純增加葉片寬度，阻力會急劇增加，升阻比下降，現有風輪葉片無法靠增加寬度的辦法增加實度提高風能利用系數。
當然，問題還有很多，現暫不列舉。

     二.技術改進方向

    如上圖，以筆者的發明專利《風力發電用自適應風輪》（專利號：2008 1 01015693.5）為例做一簡單介紹。該風輪由3～4個葉片組成，葉片較寬，每個葉片由若干個羽片組成。其優點在于：