自適應(yīng)蝙蝠裙葉片研發(fā)進(jìn)展

文／何立武

自適應(yīng)蝙蝠裙葉片研發(fā)進(jìn)展

文／何立武

本發(fā)明是空氣動(dòng)力學(xué)與仿生學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。自適應(yīng)蝙蝠裙葉片設(shè)計(jì)優(yōu)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(yīng)全風(fēng)速（不同風(fēng)速）的能力。能有效提高全風(fēng)速風(fēng)能利用系數(shù)（大型風(fēng)電機(jī)組10%－小型風(fēng)電機(jī)組19%）；減小切入風(fēng)速，擴(kuò)展風(fēng)電利用地域；高效利用電能，降低風(fēng)電成本（大型風(fēng)電機(jī)組9%，小型風(fēng)電機(jī)組16%）。

輸出功率全風(fēng)速提高，小風(fēng)提高幅度大

（一）自適應(yīng)蝙蝠裙葉片功率提高百分比

在風(fēng)輪直徑、葉片數(shù)、風(fēng)速相同條件下，在對(duì)比樣機(jī)廣州世佳AN－FD400W風(fēng)電機(jī)組（見(jiàn)圖1）換上蝙蝠裙葉片后，功率提高百分比如下：

二級(jí)風(fēng)（3.3m/s，這是大部分地區(qū)常有的風(fēng)速）以下累計(jì)功率提高92%；三級(jí)風(fēng)（微風(fēng)5.4m/s）以下累計(jì)功率提高34%；

四級(jí)風(fēng)（7.9m/s）以下累計(jì)功率提高19%（詳見(jiàn)表1）。由于所有風(fēng)電機(jī)組在四級(jí)風(fēng)以上，風(fēng)能利用系數(shù)Cp下降、風(fēng)速在12m/s－14m/s以上開(kāi)始限制功率保護(hù)風(fēng)電機(jī)組不損壞。因此在4級(jí)風(fēng)以上蝙蝠裙葉片至少不會(huì)比同直徑和同葉片數(shù)的風(fēng)輪功率小。

應(yīng)該說(shuō)明的是，雖然風(fēng)速測(cè)量值可能誤差較大，會(huì)對(duì)Cp有影響，但不影響與對(duì)比樣機(jī)功率對(duì)比百分?jǐn)?shù)。

（二）自適應(yīng)蝙蝠裙葉片年發(fā)電累計(jì)時(shí)間長(zhǎng)

該葉片即充分利用了經(jīng)常有的小風(fēng)；對(duì)偶爾遇到大風(fēng)發(fā)電效率也有提高（詳見(jiàn)圖2、圖3），年發(fā)電量大，發(fā)電成本大幅降低。據(jù)中國(guó)西北風(fēng)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)：其風(fēng)電機(jī)組每年平均發(fā)電天數(shù)只有111天。使用本發(fā)明的風(fēng)電機(jī)組，由于發(fā)電切入風(fēng)速小（見(jiàn)表1）、風(fēng)能利用系數(shù)Cp增加較多（見(jiàn)圖3），同樣風(fēng)場(chǎng)條件下該發(fā)明葉片風(fēng)電機(jī)組每年可發(fā)電約200天。

（三）自適應(yīng)蝙蝠裙葉片使用地域廣

現(xiàn)大型風(fēng)場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)是年平均風(fēng)速不低于6m/s,只有中國(guó)西北、東北少數(shù)地區(qū)接近要求，風(fēng)場(chǎng)難找；使用本發(fā)明的風(fēng)電機(jī)組，由于發(fā)電切入風(fēng)速小（見(jiàn)表1）、風(fēng)能利用系數(shù)Cp高（見(jiàn)圖3），有可能在全國(guó)40%－50%的地區(qū)使用，最大限度地利用各地小風(fēng)風(fēng)能。

從宏觀(guān)上看，假設(shè)在風(fēng)電機(jī)組功率相同的條件下，全國(guó)年風(fēng)力發(fā)電總量和風(fēng)電機(jī)組數(shù)量成正比；和年平均發(fā)電時(shí)間成正比。由此看來(lái)，本發(fā)明既能提高全國(guó)風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)數(shù)量和地域，又能提高年平均發(fā)電時(shí)間，能有效地提高全國(guó)年風(fēng)力發(fā)電總量。

（四）本發(fā)明是空氣動(dòng)力學(xué)與仿生學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。該設(shè)計(jì)也可用于飛機(jī)機(jī)翼、艦艇螺旋槳外形設(shè)計(jì)，能提高效率、減小噪音，前景廣闊。

目前葉片存在的主要問(wèn)題及采用自適應(yīng)蝙蝠裙設(shè)計(jì)的理由

（一）現(xiàn)有風(fēng)電機(jī)組存在問(wèn)題

圖1 廣州世佳AN-FD400W樣機(jī)照片

圖2 蝙蝠葉片和樣機(jī)葉片功率曲線(xiàn)

圖3 兩種葉片在同一種機(jī)組上風(fēng)能利用系數(shù)隨風(fēng)速變化曲線(xiàn)

表1 功率、轉(zhuǎn)速、風(fēng)能利用系數(shù)對(duì)比表

“小風(fēng)”不轉(zhuǎn)；剛轉(zhuǎn)不發(fā)電；剛發(fā)電時(shí)功率小；“大風(fēng)”天不常見(jiàn)。以北京為例：每年只有約3天－4天6級(jí)風(fēng)（10.8 m/s －13.8m/s，這是現(xiàn)有風(fēng)電機(jī)組額定功率對(duì)應(yīng)的風(fēng)速），累計(jì)僅約40h，僅占全年0.46%，每年發(fā)電量不多。北京年平均風(fēng)速約2.1m/s－2.3m/s，現(xiàn)有風(fēng)電機(jī)組均不適合在北京使用。現(xiàn)有風(fēng)電機(jī)組往往額定功率很大，即使在西北、東北地區(qū)，年平均發(fā)電功率也很小，大多虧損。年平均發(fā)電功率主要和年平均風(fēng)速密切相關(guān)。年發(fā)電量與年平均發(fā)電功率成正比，與額定功率反差很大。圖4、圖5是按文獻(xiàn)給出的數(shù)據(jù)繪出的2條曲線(xiàn)，其年平均風(fēng)速約3.7m/s，比北京高得多。

從第1條曲線(xiàn)可以看出，小風(fēng)雖然單位面積功率（功率密度）小，但年累計(jì)時(shí)間長(zhǎng)，年累計(jì)風(fēng)能并不小；大風(fēng)單位面積功率大，但年累計(jì)時(shí)間短，年累計(jì)風(fēng)能并不大。

從年單位面積風(fēng)能總量看，第2條曲線(xiàn)給出：2.5 m/s和15 m/s、4 m/s和12 m/s年單位面積年風(fēng)能總量是相同的。因此按設(shè)計(jì)點(diǎn)（8 m/s）和額定功率風(fēng)速（12 m/s －13 m/s）設(shè)計(jì)的風(fēng)電機(jī)組在大多地區(qū)使用是不合理的。就像鳥(niǎo)兒可以用不同的速度飛行一樣，用本發(fā)明設(shè)計(jì)葉片，既適應(yīng)年平均風(fēng)速小的地區(qū)，又兼顧了年平均風(fēng)速大的地區(qū)，以適合多數(shù)地區(qū)使用。提高年發(fā)電總量、并降低成本才是我們的奮斗目標(biāo)。

（二）現(xiàn)有的剛性葉片有先天不足

主要表現(xiàn)：一是剛性葉片減小切入風(fēng)速與增大大風(fēng)風(fēng)能利用系數(shù)Cp（風(fēng)電機(jī)組功率與相應(yīng)風(fēng)功率之比）是一對(duì)矛盾。如小型風(fēng)電機(jī)組起動(dòng)風(fēng)速較低，但大風(fēng)風(fēng)能利用系數(shù)小，損失了大風(fēng)能量。大型風(fēng)電機(jī)組大風(fēng)風(fēng)能利用系數(shù)較大，但切入風(fēng)速大（3.5 m/s – 4.0 m/s ），損失了小風(fēng)能量。雖然大型風(fēng)電機(jī)組可通過(guò)增大葉片槳矩的辦法降低起動(dòng)風(fēng)速，但風(fēng)輪轉(zhuǎn)速上不去，不能發(fā)電。必需在恢復(fù)槳矩后，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速才能在切入風(fēng)速時(shí)達(dá)到發(fā)電轉(zhuǎn)速。

二是剛性葉片的升力無(wú)法用增加寬度的辦法提高。和機(jī)翼、直升機(jī)旋翼一樣風(fēng)電葉片追求大展弦（相當(dāng)于長(zhǎng)寬）比提高升阻比。如用增加弦長(zhǎng)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(fēng)電機(jī)組為增加功率風(fēng)輪直徑越來(lái)越大，塔架越來(lái)越高,帶來(lái)諸多問(wèn)題。

為解決上述兩個(gè)問(wèn)題，我們應(yīng)該向經(jīng)過(guò)多少億年進(jìn)化而來(lái)的蝙蝠、鳥(niǎo)類(lèi)學(xué)習(xí)。蝙蝠、鳥(niǎo)類(lèi)翅膀展弦比小，能在較大的速度范圍內(nèi)林中飛行，能耗低、效率高。蝙蝠、鳥(niǎo)類(lèi)在翅膀比較寬（展弦比小）的條件下飛行水平這么高，其關(guān)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(yīng)蝙蝠裙方法設(shè)計(jì)葉片才能實(shí)現(xiàn)：大風(fēng)功率能增加，小風(fēng)功率增加得更多，具有一定的全風(fēng)速高效發(fā)電能力。

圖4 某地同一風(fēng)速時(shí)間占全年比例隨風(fēng)速變化曲線(xiàn)

圖5 某地每年每平方米風(fēng)能量隨風(fēng)速變化曲線(xiàn)

當(dāng)前工作目標(biāo)

（1）優(yōu)選合作伙伴；

（2）改進(jìn)現(xiàn)有葉片，提高發(fā)電效率;

（3）針對(duì)新風(fēng)電機(jī)組，設(shè)計(jì)高效葉片；

（4）進(jìn)一步完善自適應(yīng)蝙蝠裙葉片，進(jìn)一步提高風(fēng)能利用系數(shù)Cp，并使Cp曲線(xiàn)更加平坦。

（作者單位：總參陸航部裝備局）