风能利用新装置“变桨网状拉线电风轮”

摘要：主要通过对变桨拉线风电轮与变桨三叶风轮的比较分析，对“变桨网状拉线电风轮”进行了简明扼要地介绍。其先进性和实用性比较表现为：① 风能利用系数CP均值增倍、高达0.5,风电量增加约40%；② 易表面不锈钢化、安全可靠、抗台风能力强、使用寿命长；③ 转动惯量增至九倍，上网风电质量好、天然具备“低电压穿越能力”；④ 零件型材化、制造成本减半，甚至于为三分之一。

“变桨网状拉线风轮”（以下简称变桨拉线风轮）的主要特征为：有轮毂、轮圈、几十个叶片和使它们固定为一体的拉线，拉线从叶片内部纵向穿过，叶片为型材,并由在风轮上的杠连杆机构变桨。这是非常理想的发电和提水风轮，已经国家级国内外查新和专利授权。已基本完成78米直径、2兆瓦的大型“变桨拉线风轮”主要工程图设计，“五脏俱全”结构原理样机已成功问世，设计理论和风控自动变桨等功能特点已大体得到验证（见照片, 3.4米直径）。

大中型变桨拉线风轮比较目前主流的比较先进的三叶片发电风轮，有下列六方面主要优特点：

1  风能利用系数CP均值增倍，达0.5,风电量增加40%,降低了安装大中型风轮的风能密度条件。

对于三叶风轮，一般来说，在3米/秒以下风速时的CP值为零，5米/秒风速时的CP值仅约0.25，约7米/秒风速时的CP值才达到0.4；CP均值约0.25，仅达CP的极限理论值0.593(贝茨极限)的42%。主要原因是太多的通过风轮的风不作用于叶片；而且,作为一种悬臂梁,其断面形状设计为了首先能承受很大的足够弯应力，不得不取风阻大的、只能获得较少风能的大相对厚度（叶片单位弦长的厚度）。在额定功率时，其尖速比λ一般在6左右时CP峰值可达0.45，这时，叶尖速度约80米/秒，相应的风速约13米/秒，而风场平均风速一般约6米/秒，显然，其CP达0.45的机会是很少的。

对于变桨拉线风轮样机(见照片及演示文稿)，与相应三叶风轮比较，转矩约增至4倍以上，转动阻力却只增加约一倍，不到1.5米/秒风速即可启动，并且启动后CP值即达0.5以上，CP均值约0.5，达CP的极限理论值0.593的84%。主要原因是叶片面积、分布、叶片截面形状和桨距角等容易通过优选法达到非常理想的状态，无论风速大小,通过风轮的不作用于叶片的风很少；其断面形状设计可取能获得最多风能的最优相对厚度，风控自动变桨后效果更明显。具体表现在其样机：①叶片多（24个）而细，叶片平面总面积为1.8平方米,风轮实度（叶片在风轮轴向的投影面积与风轮掠扫面积之比）为0.2,为相应三叶风轮实度的2倍，风轮转矩增加一倍；叶片面积的大部靠近轮周，风轮转矩又增加一倍；变桨对实度变化的影响比三叶轮大得多。将这三种效果叠加后，风轮转矩约增大至4倍以上；②拉线从叶片内纵向穿过，叶片支撑在已拉直的钢绳拉线上，叶片宽度仅0.055米(2兆瓦机叶片宽初步设计为0.35米,叶片数80)这样，叶片承受的纵、横向弯曲应力都很小，因而从头到尾都很薄（仅比拉线厚一点），其相对厚度大约是悬臂梁三叶片相应的平均相对厚度的三分之一；又由于桨距角为0°～28°是大多数情况，虽然与三叶轮比，叶片平面总面积大一倍，但在风轮转动方向，叶片的投影总面积并没有相应成比例增加，大约只增加三分之一，转动总阻力增加不大。考虑到叶片面积分布和叶片截面形状的不同，总的叠加权衡下来，风轮转矩约增大至4倍以上，转动总阻力约增加一倍，CP均值约增加一倍达0.5，发电量相应增加约40%。这样，变桨拉线风轮额定风速就可以低一些，一般可比相应三叶风轮的额定风速降约一个风力等级，如2兆瓦机额定风速可从13米/秒左右降至11米/秒。

现有风能利用书籍中所描述的多叶片风轮都不是变桨拉线风轮，这种多叶片风轮与三叶轮比较，其叶片都是悬臂梁，其平面总面积、风轮转动方向上叶片投影总面积和转动总阻力是大致成比例相应增加的，显而易见，不可将书中所标示的其力矩特性、功率特性等性能曲线简单套用于变桨拉线风轮。

2  易表面不锈钢化、安全可靠性好、抗台风能力强、使用寿命长。

三叶轮的叶片是一种在工作时所受的内应力很大的复杂悬臂梁；大中型三叶片生产难度和质量控制难度大，被台风吹断裂的现象时有发生；在风砂的冲击下叶片表面损伤大；由于其形状复杂，难以用不锈钢薄板包裹表面，表面大多是用玻璃钢或碳纤维制成，质量好的寿命一般仅20年。

变桨拉线风轮安全可靠性好、抗台风能力强、使用寿命长的原因是：①叶片是型材，容易用不锈钢薄板简单包裹表面；拉线和轮圈表面也容易不锈钢化，全表面不锈钢化后，风砂的冲击下叶片表面损伤小，大大增加其强度,寿命可长达40年以上；拉线风轮报废残值高,客户容易检查质量而放心购买。（据网上资料，美国纽约的克莱斯勒大厦地处沿海受污染的环境，但它表面的不锈钢历经80载却依然熠熠生辉。）②在相同轮径、相同轮毂厚度条件下，拉线轮是单位质量能承受的均载径向力最大的轮子。③实度、桨距角可通过叶片调节器快速低成本大幅度调节――叶片旁有杠连杆机构等桨距角自动调节器。风轮的“实度”（叶片及其支撑物的投影面积与风轮面积之比）小，比较三叶片轮，虽然叶片面积大幅度增加，其实度在台风下自动变桨后为0.1以下，所受风压并没有相应增大。④现设计的轮圈、钢绳、轮毂、叶片等受力件强度安全系数1.38以上,刚度足够，风轮承载力高而不容易损坏，稳定性较好。⑤由于叶片是支撑在从其内部穿过的拉直的钢绳上,叶片宽度小,强台风下其纵、横向弯曲应力都不大。

从变桨拉线风轮样机照片可看到，3.4米外径的轮圈是用一般的20毫米镀锌水管制成的，该风轮样机的质量(不包含塔架和发电机)为30千克，钢绳拉线直径4毫米（本应按计算用3毫米的，但因配件制造难度大等原因，而用4毫米的代替）。虽然叶片内钢绳拉直调节后，该轮圈的不平度为50毫米，不圆度为10毫米，风轮运转后，由于离心力的作用，该轮圈不平度将随转速的增加而变小，负面影响不大，是可以接受的低成本偏差。该风轮样机的质量(不包含塔架和发电机)仅30千克。经估算，变桨后其实度降到0.08,可以短时间承受85米/秒史上最大风速。

3  转动惯量增至九倍，上网风电质量稳定，天然具备“低电压穿越能力”。

据报道，近年，由于许多三叶风电机不具备“低电压穿越能力”，不少风电场发生了“脱网”事件，造成了严重的经济损失，因而要进行相应的技术改造。其费用为30万元/1.5兆瓦装机容量。不具备“低电压穿越能力”三叶风电机，在电网故障电压瞬间降低的情况下，外观的表现是其风轮转速相应突然变快。鉴于此，有专家提出了“利用快速变桨来减小输入机械转矩, 限制转速上升”的设想，从而达到具备“低电压穿越能力”。然而，由于叶片质量大，变桨过于突然将产生的巨大惯性冲击而造成风机损坏，使该设想难以成为现实。

而变桨拉线风轮转动平稳，上网风电质量好, 天然具备“低电压穿越能力”， 节省30万元/1.5兆瓦台的相关技术改造费用。因为：半个拉线风轮重心至轮中心距离是相应的半个三叶风轮重心至轮中心距离的三倍左右，风轮质量相同而转动惯量却增至约九倍。

4  更加环保：对鸟类伤害少、噪声可能较小。

因大型三叶风轮转速一般15至20转/分，鸟类以为从相邻叶尖之间很大空间很大飞过没有问题，所以才被打中。大拉线风轮叶片为80个左右，相邻叶尖间距小，叶片均在轮圈内，鸟儿就很少从二叶片和轮圈之间这样小的空间飞过。由于三叶风轮在额定风速（约13米/秒）时叶尖速度一般为80米/秒以上，叶片又有点像风琴发音片这样只固定一端的东西，所以噪声大。拉线风轮是转距较大、转速稍慢（相应大型机额定风速约11米/秒，少了2米/秒），叶片从到尾是固定在拉线上，噪声可能较小。

5  降低了安装大中型风轮的风场运输条件，节省了巨额运输费用。大中型风轮可在一般风场当地组装，其断面管状大轮圈可在风场当地由简单的专用设备架设分段焊接而成，无需像三叶片轮那样要大型车辆和相应道路来运输。好的风场，多在道路较差的边远地方和山区，这一优点更加使风能资源容易得到较好地开发利用，意义重大。

6  多数零件型材化，制造成本减半，甚至于减至三分之一。

大中型三叶片是一种受内应力巨大的复杂悬臂梁，制造用的大中型模具等设备费用巨大，难以自动化或半自动化生产及质量检测，所以制造成本高昂，而且质量稳定性较差。例如近年750KW的三个叶片价格（不含变桨装置和运杂费）约70万元,每千瓦价0.093万元；另外，由于大型叶片粗、长、重而运输困难，还要加上高昂的运输费用；还有，为提高效率和增强抗台风能力，现代三叶风轮增加了昂贵的变桨装置，2兆瓦变桨装置现价达50万元/套(相应拉线风轮变桨转动惯量减小约93%,为杠连杆机构,成本可能约2万元)，2兆瓦变桨三叶轮现总价达170万元/台，成本约150万元/台。三叶风轮制造成本太高已是业内的共识。

由于在相同轮径、相同轮毂厚度条件下，拉线轮是单位质量能承受的均载径向力最大的轮子，而且，变桨拉线风轮叶片、轮圈、拉线和变桨杠连杆等绝大多数零件是型材，可自动化或半自动化生产，制造用的模具等设备费用少，所以其制造成本低。例如,叶片是铝合金或塑料通用挤出机高速低成本生产的断面翼型中空型材,可快速在拉线上装卸叶片。为了使叶片迎风角、宽度等参数能随风轮半径变大而变化, 型材叶片可用“叶片连接套”分多段阶梯式地安装在拉线上。以完成初步设计的2兆瓦变桨拉线风轮一个为例,其连轮毂和变桨装置的总质量约30吨，与相应的三叶风轮总质量差不多，而成本仅约50万元，约为2兆瓦变桨玻璃钢三叶风轮成本的三分之一；若叶片、轮圈、变桨杠连杆等重要零件表面和拉线为不锈钢时，2兆瓦变桨拉线风轮成本约为90万元，约为变桨玻璃钢三叶风轮成本的60%。另外，运输运费大减,又减少了制造成本。

综上所述，显然，变桨拉线风轮有效地克服了三叶风轮一系列大缺陷，达到非常理想的高水平，具有很强的市场竞争力，非常值得投资商和风电公司来合作进一步研发，也非常值得政府和有关部门直接投资或牵线搭桥。