“柔性智能葉片”成為風電技術的發展方向

    風能是最具有開發價值的新能源，風能是分布最廣，離我們最近，取用最方便的無污染的清潔能源，用好風電對減少碳排放，改善環境意義重大。風能也是儲量巨大的新能源，風能取之不盡，用之不竭，并具有相對最低的開發成本，所以風電的發展應該作為新能源發展的重點。
    中國氣象局日前公布我國首次風能資源詳查和評價取得的進展和階段性成果：我國陸上離地面50米高度達到3級以上風能資源的潛在開發量約23.8億千瓦；我國5—25米水深線以內近海區域、海平面以上50米高度可裝機容量約2億千瓦。我國陸上風能資源主要集中在內蒙古的蒙東和蒙西、新疆哈密、甘肅酒泉、河北壩上、吉林西部和江蘇近海等7個千萬千瓦級風電基地。僅這些地區的陸上50米高度3級以上風能資源的潛在開發量就達18.5億千瓦。
       
    面對如此巨大的風能資源，面對我國嚴峻的節能減排形勢，為什么我國80多家風電設備生產企業大部分產能閑置？為什么會出現嚴重產能過剩？具統計至2009年我國風電裝機容量僅2500萬千瓦，風電占全國的用電量還非常小，裝機容量占可開發量就更少，為什么風電工程會淪落為“形象工程”？風電被稱為“垃圾電源”？為什么風電的開發與需求產生如此大的反差？這些矛盾和問題的出現已嚴重影響到風電產業的發展。
       
    這些矛盾和問題的出現，追根溯源是風電技術的不適應造成的。我國在“三北”（西北、東北、華北）地區在建的有6個千萬千瓦風電基地，現在還處于建設初期有些問題已突出表現出來，首先是裝機容量大而發電量低；其次是并網難題無法破解；還有故障率高，維護成本大。這些問題主要是葉片性能造成的，現有葉片是參照直升飛機的葉片進行設計制造，MW級風電機葉片非常巨大，強剛性能要求很高，造價高昂，具有很好的空氣動力性能。在“三北”地區雖然多風，但大風畢竟很少，一般就是2~3級風，大一點4~5級風，6級風以上都較少，所以葉片的空氣動力性能根本發揮不出來。風速低，空氣動力性能弱，必然造成發電量低，這就是造成“裝機容量大而發電量低”的主要原因。“三北”地區每年還有幾次大的沙塵暴，在這種情況下，沖擊電流很大，不可能并網，但剛性葉片風載很大，風電機受力不平衡，附加扭矩很復雜，對風電機產生擺動和振動，往往會造成故障和破壞。所以說葉片的空氣動力性能該發揮的時候發揮不出來，不該發揮的時候卻越來越強，只會帶來破壞。
    并網穩定性差和高故障率是影響風電產業發展的最大障礙，這個問題主要是由于控制系統的滯后性和葉片的強風載造成的。
       
    現有風電機的控制裝置主要有偏航裝置和變漿矩裝置，我們知道自然界的風向和風速都是隨時隨機變化的，我們的調節裝置雖然可以根據風向和風速調整，但在速度上始終是滯后的，并不能完全滿足風電機平穩發電的需要。比如在自然界中風向呈90°變化是經常發生的，偏航裝置和變漿矩裝置的響應速度若是1°/秒，90°就需要90秒的調整時間，在這么長的調整過程中，風輪葉片所受的風力角是完全不同的，也就是葉片所受的風力是變化的，必然造成風輪轉速的不穩定，從而影響到風電機輸出功率的穩定，嚴重時就會造成風電機解網，造成電網的不穩定。這種調節的滯后性在強風暴的氣候條件下，往往會造成嚴重的后果，在高風速情況下葉片處于順漿位置，若風向發生90°變化，就會使葉片完全處于大面積受風的狀態，使葉片受力突然增大，葉片受到的強大風載就會通過傳動軸對變速裝置造成巨大的沖擊，巨大的風載也會對偏航裝置造成沖擊，造成變速裝置和偏航裝置的損壞，葉片也有可能被折損壞。
       
    下面我們對葉片性能進行分析，現有葉片是按空氣動力學原理設計的，如同飛機的機翼，在微風狀態下，空氣動力性能肯定是很弱的，就像飛機速度低沒有升力一樣，這樣必然造成微風發電性能差。在高風速狀態下，葉片的空氣動力性能不斷增強，葉片性能不但不能起到穩速穩頻的作用，反而成了風電機不穩定和強破壞性的發源地，我們通過簡單的量化計算就可知道它的危害程度。我們以1.5MW風電機為例進行說明，設計風速為13m/s，產生的能量為1.5MW，可轉換為152958kgf·m/s，其能量核算在葉片上的風載可達百噸。若12級臺風的平均風速為34m/s，而風的能量與風速的關系是三次方的關系，那么在臺風狀態下葉片產生的風載將達千噸以上，這個數值是相當驚人的。我們知道風電機的控制系統有卸載功能，但任何控制系統都存在滯后性，不可能對葉片及時完全卸載，這樣大的風載形成的沖擊力是任何機械裝置都無法承受的，我們設計制造的變速裝置很大，強度也非常高，但仍不能避免這種沖擊力對變速裝置的損壞。為了避免變速裝置的損壞，風電機又向直驅方向發展，直驅方式省掉了變速裝置，但造成發電機轉子轉速降低，我們知道發電機的發電量是由線圈切割磁力線的速度決定的，發電機轉子轉速的降低也就意味著發電效率的降低，人們又一次以犧牲發電效率為代價來解決葉片設計不合理所造成的后果。這種治標不治本的方式肯定是達不到效果的，這樣做只是改變了故障發生的部位，并不能避免強風載帶來的破壞。強風載也是造成沿海風電機不穩定、安全性無法保障的最根本原因。也是造成沿海風電機被臺風損毀的主要原因。葉片強風載還會造成風電機強烈振動，這對風電機的破壞也是很強的，往往造成疲勞損壞和高故障率。
    國外有幾十年生產經驗，很有實力的公司，都在風電機產品上出現過這樣那樣的問題。世界最大的風力發電機組制造商NEG
Micon就是因為齒輪箱問題，他為所生產的風力發電機組都換了一次齒輪箱，這家世界最大的風力發電機制造商破產了，這在其它產業是不可能發生的。目前我國風電整機制造企業已近８０家，質量問題頻發，國產風電機故障率更高也就不足為奇。這充分說明現有葉片的高風載特性和控制系統滯后性給風電產業帶來的危害性。
       
    變轉速聯網技術具有劃時代的意義，變轉速技術可以讓風輪隨風速的變化相應改變轉速的快慢，徹底改變了葉片所具有的穩定轉速的功能，也就改變了葉片只能采用剛性葉片的限制，為改進葉片性能創造了有利條件。我們應當拋棄現有的結構，在葉片設計上充分考慮獲得最大風能的要求，使風能利用率得到大幅提高。葉片性能的重大改變，會使我們開發出新型高效的風電機。
       
    大自然永遠是我們最好的老師，人類通過對鳥翅膀的研究造出了飛機，飛上了藍天。鳥的翅膀是最輕巧的飛行裝置，也是利用風能的高效裝置，我們要想提高風能利用率，提高風電機的微風發電性能，鳥翅是我們最好的研究對象。鳥翅主要是靠羽毛捕獲風能，羽毛結構非常輕盈，但有很好的捕風性能，而且具有靈活調節風載的功能。根據仿生學的原理，通過對羽毛結構特性的研究提取，研究開發出了柔性羽形葉片。
       
    柔性葉片可以完全克服剛性葉片的缺點，并可以增大受風面積，由于柔性葉片可以根據風速的變化相應改變受風的型面，在增加風能獲取量和轉化量的同時，改善葉片的受力狀態，化解風的破壞力，有利于風電機安全穩定的運轉。在低風速情況下，葉片變形小，以最佳迎風角和最大迎風面積獲取最大風載；在中風速情況下，隨著風速增大，葉片變形會逐步增大，逐步減小迎風角和迎風面積，保持所受風載大小的相對穩定，保證發電功率的平穩輸出；在高風速情況下，葉片隨風速大幅變形，迎風面積大幅減小，風載減小，所受風阻大幅增加，葉片的轉速不會增快，反而會變慢，不會造成風電機過載，也毋需停機，仍然可以保持正常發電。此時葉片所受風載會大幅減小，就像一顆樹會隨風彎曲，大幅減小樹所受到的風載，這樣可以完全避免狂風對風電機的破壞。所以柔性葉片這種智能化的調節過程更符合風電機風載特性的要求。而且風載特性是靠葉片自身結構的受力型態實現的，不存在滯后性，也不存在機械和電子故障，更加簡單可靠。