风力发电机风轮现存在的问题和改进方向

发明和专利权人何立武

    摘要：风力发电机的自适应风轮，可实现：风速1米/秒条件下起动；其性能：风速在3～5米/秒条件下，和现有直径相同的风轮相比发电功率至少增加50%。在更大的风速条件下，发电功率增幅会有所下降，但仍会增加。

    全球石油和煤炭资源面临枯竭，传统能源价格不断上涨，环境污染日益严重。各国都在积极开发清洁的可再生能源，并把希望寄托于风能和太阳能项目。但是，目前风能和太阳能的发电成本远比水电和火电高。据观察，现有的风力发电机，特别是大功率风力发电机，多半时间都处于停机状态；部分风电场的风机虽然在转动，但发电量不高；还有个别地方的风电项目被外界称为“形象工程”。综合看来，目前的风电场风机的利用效率并不高。是什么影响风机效率呢？笔者认为，风力发电机效率高低的关键在于风轮。

    一.现有风机风轮存在的主要问题

    现有风机发出额定功率的条件是，风速11～13米/秒（6级风），据观察，北京地区6级以上的大风每年只有几天。现有风机的额定功率往往很大，但年平均发电功率却很小。据了解，北京地区年平均风速约3米/秒，这正是大型风机的起动风速，如何在北京发电？现有风机效率低的主要原因有如下3条。

    1.风轮实度低，造成风能利用系数小
    我国现有的各种大小风机风轮多数只有3片风叶，叶片细而长，其实度（叶片总面积与扫过的面积之比）仅约4%。与之可类比的直升机旋翼叶片的数量是随直升机的重量增大而增加。例如，4吨重的“直9”直升机是4片旋翼，直径为11.5米；56吨重的“米-26”是8片旋翼，直径是32米。直升机旋翼的实度约为8%，是风机风轮实度的2倍。旋翼是直升机的关键技术，各国投入巨资进行吹风等研发试验，目前该技术已经成熟，旋翼技术是风机风轮设计的可靠参照实例。和直升机旋翼相比，由于风机风轮的实度低，目前风力发电机的效率必然较低。

    2.风轮风叶翼型是固定的，不能适应不同的风速
    风力发电机风轮风叶的翼型一般按风速8米/秒设计的，在此条件下风能利用系数最高。由于风速大小是随机的，无论风速小于或大于8米/秒，风叶效率（升阻比）都会下降，这与直升机旋翼定速旋转完全不同。风轮叶片大部份时间都在非设计状态下工作，不但总体效率低，而且起动困难。

    3.目前的风轮叶片无法靠增加宽度的办法提高实度
    飞机机翼设计成大长、宽（展弦）比，才能获得较大的升阻比，并具有较高的效率。如果单纯增加叶片宽度，阻力会急剧增加，升阻比下降，现有风轮叶片无法靠增加宽度的办法增加实度提高风能利用系数。
当然，问题还有很多，现暂不列举。

     二.技术改进方向

    如上图，以笔者的发明专利《风力发电用自适应风轮》（专利号：2008 1 01015693.5）为例做一简单介绍。该风轮由3～4个叶片组成，叶片较宽，每个叶片由若干个羽片组成。其优点在于：