風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪現(xiàn)存在的問題和改進(jìn)方向

發(fā)明和專利權(quán)人何立武

    摘要：風(fēng)力發(fā)電機(jī)的自適應(yīng)風(fēng)輪，可實(shí)現(xiàn)：風(fēng)速1米/秒條件下起動(dòng)；其性能：風(fēng)速在3～5米/秒條件下，和現(xiàn)有直徑相同的風(fēng)輪相比發(fā)電功率至少增加50%。在更大的風(fēng)速條件下，發(fā)電功率增幅會(huì)有所下降，但仍會(huì)增加。

    全球石油和煤炭資源面臨枯竭，傳統(tǒng)能源價(jià)格不斷上漲，環(huán)境污染日益嚴(yán)重。各國都在積極開發(fā)清潔的可再生能源，并把希望寄托于風(fēng)能和太陽能項(xiàng)目。但是，目前風(fēng)能和太陽能的發(fā)電成本遠(yuǎn)比水電和火電高。據(jù)觀察，現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，特別是大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)，多半時(shí)間都處于停機(jī)狀態(tài)；部分風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)雖然在轉(zhuǎn)動(dòng)，但發(fā)電量不高；還有個(gè)別地方的風(fēng)電項(xiàng)目被外界稱為“形象工程”。綜合看來，目前的風(fēng)電場風(fēng)機(jī)的利用效率并不高。是什么影響風(fēng)機(jī)效率呢？筆者認(rèn)為，風(fēng)力發(fā)電機(jī)效率高低的關(guān)鍵在于風(fēng)輪。

    一.現(xiàn)有風(fēng)機(jī)風(fēng)輪存在的主要問題

    現(xiàn)有風(fēng)機(jī)發(fā)出額定功率的條件是，風(fēng)速11～13米/秒（6級風(fēng)），據(jù)觀察，北京地區(qū)6級以上的大風(fēng)每年只有幾天。現(xiàn)有風(fēng)機(jī)的額定功率往往很大，但年平均發(fā)電功率卻很小。據(jù)了解，北京地區(qū)年平均風(fēng)速約3米/秒，這正是大型風(fēng)機(jī)的起動(dòng)風(fēng)速，如何在北京發(fā)電？現(xiàn)有風(fēng)機(jī)效率低的主要原因有如下3條。

    1.風(fēng)輪實(shí)度低，造成風(fēng)能利用系數(shù)小
    我國現(xiàn)有的各種大小風(fēng)機(jī)風(fēng)輪多數(shù)只有3片風(fēng)葉，葉片細(xì)而長，其實(shí)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(jī)旋翼葉片的數(shù)量是隨直升機(jī)的重量增大而增加。例如，4噸重的“直9”直升機(jī)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(jī)旋翼的實(shí)度約為8%，是風(fēng)機(jī)風(fēng)輪實(shí)度的2倍。旋翼是直升機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，各國投入巨資進(jìn)行吹風(fēng)等研發(fā)試驗(yàn)，目前該技術(shù)已經(jīng)成熟，旋翼技術(shù)是風(fēng)機(jī)風(fēng)輪設(shè)計(jì)的可靠參照實(shí)例。和直升機(jī)旋翼相比，由于風(fēng)機(jī)風(fēng)輪的實(shí)度低，目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率必然較低。

    2.風(fēng)輪風(fēng)葉翼型是固定的，不能適應(yīng)不同的風(fēng)速
    風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪風(fēng)葉的翼型一般按風(fēng)速8米/秒設(shè)計(jì)的，在此條件下風(fēng)能利用系數(shù)最高。由于風(fēng)速大小是隨機(jī)的，無論風(fēng)速小于或大于8米/秒，風(fēng)葉效率（升阻比）都會(huì)下降，這與直升機(jī)旋翼定速旋轉(zhuǎn)完全不同。風(fēng)輪葉片大部份時(shí)間都在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下工作，不但總體效率低，而且起動(dòng)困難。

    3.目前的風(fēng)輪葉片無法靠增加寬度的辦法提高實(shí)度
    飛機(jī)機(jī)翼設(shè)計(jì)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(huì)急劇增加，升阻比下降，現(xiàn)有風(fēng)輪葉片無法靠增加寬度的辦法增加實(shí)度提高風(fēng)能利用系數(shù)。
當(dāng)然，問題還有很多，現(xiàn)暫不列舉。

     二.技術(shù)改進(jìn)方向

    如上圖，以筆者的發(fā)明專利《風(fēng)力發(fā)電用自適應(yīng)風(fēng)輪》（專利號：2008 1 01015693.5）為例做一簡單介紹。該風(fēng)輪由3～4個(gè)葉片組成，葉片較寬，每個(gè)葉片由若干個(gè)羽片組成。其優(yōu)點(diǎn)在于：