摘要：风力发电用自适应风轮可实现：风速 1米/秒条件下风机起动；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，输出功率至少增加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。该原理用于自适应机翼设计可以有效增加航程。

目前，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。是什么影响风机发电成本居高不下呢？我认为，关键在于风机风轮设计有缺陷。

一.现有风机风轮存在的主要问题

现有风机风轮叶片主要设计缺陷有如下4条：

1.设计严重背离实际风力客观实际

据统计，现有的风场风力发电机发电天数仅占全年的30%（111/365），70%的时间都处于停机状态。由于风机功率和风速的立方成正比，当风速小于额定风速时，风机虽然在转动，但发电量却大幅下降。停机时间长的原因是：现有大、中型风机起动风速：3～5米/秒（3级风）；额定功率风速：12～13米/秒（6级风）；设计严重背离实际风力客观实际。据了解，北京地区年平均风速约3米/秒，现有风机难以使用。北京地区6级以上的大风每年只有几天，对增加年发电量作用不大。现有风机的额定功率指标往往很大，年初上级很高兴，但年平均发电功率却很小，年终再批评。年发电量只和年平均风速密切相关，与额定功率关系不大。额定功率只是风机的最大限制功率并不是日常发电功率。我国“两北”地区风场已成奇缺资源，只得加大投资向海上发展。现在急需研发能针对全国大多数地区平均风速使用的风机风轮。

2.叶片面积小、实度低，造成风机转动无力

现有的各种大小风机的风轮多数只有3个叶片，叶片细而长迎风面积小，其实度（叶片总面积与扫过的园面积之比）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，可惜的是没有参照。风叶的升力和其面积成正比，面积小升力自然小。和直升机旋翼相比，由于风机风轮的叶片面积小、实度低，大部分空气白白流过，转动无力；风能利用系数小，发电成本高。

3.目前的风轮叶片无法靠增加宽度的办法提高实度

飞机机翼确实设计成大长、宽（展弦）比，才能获得较大的升阻比；但是，飞机起飞、着陆飞行速度小，机翼升力大幅减少。由于机翼升力和面积成正比，需放襟翼，增大机翼面积，增加升力使飞机不会掉下来。襟翼是飞机适应低速飞行的重要措施。如果给风机叶片增加襟翼是不现实的；如果单纯增加叶片宽度，阻力会急剧增加，升阻比下降。现有的刚性叶片无法靠增加宽度的办法增加面积。

4.风轮叶片翼型和扭转角是固定的，不能适应不同的风速

飞机机翼靠收放襟翼改变翼型，以适应不同的飞行速度。风力发电机风轮叶片翼型和扭转角一般按风速8米/秒设计，在此条件下升阻比最高。但是，风速大小是随机的，无论风速小于或大于8米/秒，风轮都工作在非设计状态，有时风叶局部会出现负升力或失速的不利状况，升阻比必然下降。风机叶片大部份时间在非设计状态下工作，不但总体效率低，而且起动困难，停机比例高。当然，问题还有很多，现暂不列举。

二. 风力发电用自适应风轮

现对已授权发明专利《风力发电用自适应风轮》（专利号：2008 1 01015693.5）做一简单介绍。该图是小型风轮示意图，由3～4个叶片组成，叶片较宽，每个叶片由若干个羽片组成。该发明适用于任何大小风机，结构设计会略有变化。其优点在于：

1．叶片面积大实度高，转动分力大

叶片面积大、风轮实度高，由现有风轮的4% 增加到16% ；叶片面积是原来的4倍；叶片升力约增加到原来的4倍；升力在旋转面上的分力（推动叶片转动的力）大增。

2.阻力增加较少

为防止叶片面积增大造成阻力大幅增加，羽片之间的后部留有缝隙，并采用自适应设计，减少了压差阻力，阻力增加较小，在旋转面上的分力（阻碍叶片转动的力）增加不多。

3.风轮转动力大幅增加

风轮转动力等于升力和阻力在旋转面上的分力之差；叶片升力是现有叶片4倍，阻力比现有叶片增加不多，因此风轮转动力是现有风轮的2～3倍。风轮转动力大，转动速度也会提高，转动功率大增。即叶片升力大阻力小，升阻比大，面积大、升力大，风能利用系数大，发电能力强。

4．叶片自适应工作原理

由于风轮叶片有自适应风速和转速的能力，风轮在起动时羽片会顺风向偏转，使羽片与气流间夹角（羽片攻角α）接近有利攻角，起动风速低。随着风轮转速提高，空气流动方向会向叶轮转动的反方向偏转，羽片也会向旋转平面方向回转，使羽片攻角在一定范围内等于或接近有利攻角。在较大的风速范围内，每个羽片都会产生正升力，全叶片升力系数较大；叶片阻力系数较小，升阻比较大，风轮转动力大，转速高，发电量大。

5．风轮起动风速小

由于羽片攻角有自适应能力，风论可在风速1米/秒的条件下起动，年发电时间长，发电时间比例高，充分利用风能。能在微风（3级风：3.4～5.4米/秒）条件下发出较多电能。能在风速比较小的北京地区使用，适应范围广。

6．该风机风轮的性能

风速在3～5米/秒（是大风机起动风速，全国大部分地区常有的平均风速）条件下，和现有直径相同的风机风轮相比输出功率至少增加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。

三．结论

综上所述，该专利风轮是针对世界风力客观实际设计的。叶片面积大、风轮实度高，是现有风机的4倍左右；在较大风速范围内，有自适应能力，翼型是变化的，叶片攻角等于或接近最佳值，转动功率大。其结果是：起动风速小（1米/秒）；微风发电能力强；适用地区范围比现有风机有极大的增加；发电时间比例高，每年50%以上的天数可以发电（现为30%）。风轮直径相同时，在同一风场，平均发电功率比现有风机会大幅度提高。其发电成本有可能下降到水电、火电水平。从技术角度看，该风轮是空气动力学理论与鸟翼仿生学相结合的产物。有专家认为，风力发电用自适应风轮的发展前景可能是革命性的。

四．自适应机翼设计

  现在的机翼翼型是固定的，为满足起飞升力要求，翼型相对厚度较大，还要放襟翼，增加了结构重量；巡航时为减小升力，机翼攻角远低于有利攻角，升阻比较小，造成公里油耗增加、航程下降。战斗机空战时，飞行速度变化较大，航程会进一步下降。如采用自适应机翼设计，起飞时翼型相对厚度较大，提供较大升力；平飞时，翼型相对厚度较小，机翼攻角接近有利攻角，升阻比较大，公里油耗下降，航程增加。即自适应机翼的翼型是随飞行速度变化的，以保持接近有利攻角飞行、节省油耗、增加航程；期望接近鸟翼效率。这是全新设计，尚无工程经验，稳妥起见可先从小型飞机做起。（作者：何立武）