前言:根据4月7至9日第13届世界风能大会上资深专家们的合理意见,现已将该装置样机设计进一步改进。本文是对在大会上相应发言的修改稿。

　　经济效益预计:风力发电总投资增加3%，在风电场就能使叶片变形，风电量可多20%，一年内回收所增投资;变形装置生产税后利润为成本的一倍。

　　1项目背景

　　为提高风能利用系数,近年出现了中低风速时面积变大、高风速时面积变小的各种新式叶片，例如，折叠式叶片(国电联合动力公司和清华大学的不同专利申请)、纵向伸缩式叶片(叶片根部伸缩,华锐风电公司的授权专利)和横向伸缩式叶片(叶片中部横向伸缩,西安交通大学的专利申请)。

　　2项目技术先进性

　　本专利“水平轴式风力机变形叶片”(简称变形叶片，示意图见图1),是一种大中型叶片，它有主叶片和副叶片，主叶片和副叶片可以相对移动其位置,从而变化叶片表面积大小，其特征在于：副叶片与绳索相连接，绳索由定滑轮限位转向，副叶片是在绳索的作用下，沿着主叶片纵方向相对移动其位置的。副叶片可以是围绕着主叶片部分身段的薄板环套，该环套前沿二端有除冰雪刀。

　　3首架样机的设计

　　现已经基本完成变形装置样机(80米直径1500千瓦额定风速13米/秒的水平轴式风电变形叶片)工程CAD图、工艺和安装设计,计划在三个月内按此设计完成样机试制、风电现场改装，开始发电试验。变形装置分五个部分：①副叶片;②副叶片升降驱动系统;③副叶片定位和限位系统;④除冰雪系统;⑤电器控制系统。

　　3.1副叶片

　　这是可围绕着主叶片部分身段的薄板环套，长度近8米，变形后最大宽3.15米,可在近主叶尖段增加迎风面积10.8平方米,其主体用规格为0.6毫米×1米不锈钢板制成，为能够随主叶片弯曲而分成8段,只有相邻段副叶片前后沿，分别通过连接条相固定铆接。

　　3.2副叶片升降驱动系统

　　主要由绞车(特制的卷扬机)、钢绳和相关的几组定滑轮装置(其装配草图见附件2.1、2.2)构成。绞车架由穿过主叶片根部壁面的几条螺栓固定。钢绳由直径11毫米拉回钢绳和6毫米拉去钢绳两部分连接而成;为了减少对主叶片气动效率的影响,拉回钢绳定滑轮位于主叶片尖约11米处，并且与钢绳一起全都安装在主叶片前沿旁;为了减轻绞车架所受的力矩，拉回钢绳在绞筒和绞车架之间沿着绞车架面伸出。经计算,对于主叶片任一断面,主叶片装上副叶片风速8米/秒时的最大弯矩,是未装副叶片13米/秒时的弯矩的80%，所以本样机副叶片的升降时刻，定为风速约6米/秒以下时升，约8米/秒时降。

　　该系统有：

　　①副叶片滑轨条及其限位板装置(其装配草图见附件3.1、3.2)——副叶片滑轨条固定于副叶片内前沿旁;主叶片前沿旁边有间隔式轨道：每隔几百毫米远固定有一个滑轨条限位板，该限位板用约1毫米不钢钢薄板制成，钢绳可拉着滑轨条和副叶片沿此限位板升降，副叶片升降到位时，双向拉紧的钢绳使副叶片前边沿不能沿风轮径向晃动，滑轨条限位板使副叶片前边沿不能沿风轮轴向晃动;

　　②前后定位板(见附件1)——为了让副叶片容易套入和风阻小，用约0.7毫米不锈钢薄板制成，底部固定箍装在主叶片表面上，使副叶片前后面被限位而不能沿风轮轴向晃动，并对形成预设的翼形断面有主导作用。该预设的翼形断面与相应主叶片断面相比，形状相似，而具有相同的气动效率。

　　③左右定位杆及其轨道装置(见附件1、4)——装在主叶片后沿上，位于主叶片外后沿和副叶片内后沿之间;定位杆至少并列有二条，其一端由定位杆滑块与该轨道滑动铰连，另一端与副叶片后沿加强板铰连;

　　④径向定位锁卡(见附件1)——主叶片后沿有近远二个径向定位锁卡，副叶片连同定位杆升降到位时，这二个近远锁卡分别通过定位杆，将副叶片后边沿锁定而不能沿风轮径向晃动。远定位锁卡和定位杆一起，对副叶片还有展开撑大、左右定位形成预设的翼形断面有辅助性作用。近远锁卡的开关均由弹簧和细钢绳控制，该钢绳通过一个滑轮与安装在铰车架的锁卡电机连接并由其提供动力。这样该锁卡的开关动力可以足够大。

　　⑤钢绳限位滑套(见附件3.2)——有二种不同结构，装在主叶片边沿旁有钢绳经过的地方，以防止钢绳过于晃动。

　　3.4除冰雪系统

　　可能碰上冰雪天的变形叶片应装上该系统，以确保副叶片的升降顺利和减少冰雪对发电量的影响。该系统有：①前后除冰雪刀——分别位于副叶片滑轨条前沿二端和左右定位卡滑块的二端，会随着副叶片的升降铲除主叶片前后沿的大部分冰雪;②钢绳慢动装置(其装配草图见附件2.1)——这是在零度以下气温时,主叶片根部内的钢绳慢动电机能使钢绳被小幅度慢慢拉来拉去的装置,让主、副叶片前沿轨道间隙和钢绳与其限位套间隙内的水结不成硬冰。

　　4项目效益

　　4.1叶片变形装置制造商效益

　　以一套1.5兆瓦三叶片变形装置为例,制造和现场卸装成本共约20万元,因能使风电公司效益大增而售价30万元，税后利润约9万元/套,即每兆瓦容量税后利润约6万元。

　　4.2发电企业新增效益

　　发电增量估计本样机在近主叶尖约8米长的一段迎风面积增加约11平方米,即相当于该段主叶片面积增加了一倍多,而该段主叶片对风电量的贡献约占50%，以此估计出平均风速6米/秒时功率增加率约0.28。以本文作者现场考察过的广西资源县金紫山风电项目(中国第一个高山风电项目)为例，一期工程已安装33台1.5兆瓦的风力发电机组，年上网实际发电量9500多万千瓦时，即每1.5兆瓦容量年风电量288万度。设该风区8米/秒风速以下时段全年达8000小时,若此时段平均风速6米/秒、1.5兆瓦机平均发电功率235千瓦,装上副叶片后功率增加235千瓦×0.28=66千瓦,年发电增量66千瓦×8000小时=53万度,得增量53万度/288万度=18.4%,考虑除冰雪增加的风电量,和钢绳和前后定位板等附加零件减少的风电量后,共增风电量约20%。

　　若按1.5兆瓦风电容量、购置改造卸装费用30万元(相当于1.5兆瓦风电一般总投资1000万元的3%)、发电量增20%、上网风电费0.55元/度(国家定价0.5至0.6元)计算,则可得：①每1.5兆瓦容量年新增发电效益31.7万元。②改装费用投资回收期约一年。③若2020年后每年有0.25亿千瓦容量(全球3.3%的风电机)改装成“变形叶片”机,则年均新增风电效益52.8亿元/年。

　　5项目实施方式

　　已和大唐电力下属广西桂冠开投电力公司签订了合作协议，还要欢迎多家风电和风险投资等有较强相关能量的单位或个人支持合作研发(主要内容是为风电现场免费将一台大型旧风电机改装为全球第一台变形叶片风电样机)，合作支持方式不限，专利效益共享。

　　本文作者：陆中源，原广西轻工业厅职工技协秘书长、退休高工