We4Ce合伙人 Edo Kuipers：低密度空气下风机优化解决方案

2017年10月16日-19日，2017北京国际风能大会（CWP2017）在北京隆重召开。在中国国际展览中心（新馆）“风电叶片大型化问题和技术”专场，We4Ce合伙人 Edo Kuipers先生带来“适用性风电叶片设计”主旨演讲。着重介绍了风机实际安装地点空气密度比较低，导致发电量下降的解决方案。

以下为演讲内容：

Edo Kuipers：非常感谢，感谢刚才的介绍，我叫做Edo Kuipers，我是We4Ce的合伙人，我有二十年的经验，在叶片的设计方面。

We4Ce它是一个叶片设计公司，现在已经有十年了，也就是我们公司成立于2007年。我们是在荷兰，我们所做的工作主要是集中于以下几个方面，气动设计、结构设计、载荷计算、认证、生产支持。

也就是说从你生产叶片开始的时候，我们就在。

我今天主要的发言的主题，叫做适用性叶片设计，我希望是通过不改变整机的情况下来进行叶片的设计，也就是说我们不改变整机，我们只是做叶片的这部分设计。

那我的这个题目意味着什么？我们要把叶片根据实际运行的风场来进行调整，我们来最大化地来利用这个加长的叶片，为业主提供利润。

听上去好像很复杂，但事实上并不复杂，我给大家提供一下案例。

在我们案例研究当中，比如我们有2兆瓦的，110米的风机。这就是中国市场上很常见的风机、风轮。

然后我们把它用于三类的风区，也就是说默认的空气的密度是1.225千克每立方米，风机实际安装地点空气密度比较低，结果就是，发电量下降，空气密度比较低，这个风场最终结果是什么样的？那就是发电量会下降，也就是千瓦时会减少，收入会下降，我们不希望是这种情形。

还有，实际的载荷也会比较低，那就意味着我们的叶片和风机超过了我们实际的需求。

那现在我们就有这个问题，我们如何来解决这个过大的问题？比如说我们能不能增加发电量？通过某种方式。

我们来看一下，如果说密度要是降低了会发生什么？当然我们看到，发电量会降低，那它的这种线性，我们可以看到它也反映出了空气密度，还有一点，第二个现象，那就是风速如果达到了这个额定的发电量的话，那么它的这个变化可能会是更加地明显，根据这些情况，我们看到在低密度的情况下，我们的年发电量会降低，比如说降低10%，载荷也降低20%。这还是非常大的一个数字，所以我们要在这个地方作出改善。

那我们来看一看，在第一个、第二个，包括我们中材科技的演讲当中，我们看到了，比如说像这些雨蚀，这些又会产生什么状况？

我们看到它的发电量是进一步下降，而且是非常戏剧化下降，而且它还会有一个失速的问题。

那它的结果是，那这个年发电量会进一步降低10%或5%，也就是说总共降低为20%到25%。那我们再看一下，在我们的前缘部分，它的侵蚀，也就是说总共降低是20%到25%。

那它对于我们风场整个的利润会有什么样的影响？我们不要说25%，就假定是20%的话，那我们看一下，如果说中国三类风区它的上网电价是一度0.49元，那这就意味着每个风机每年的损失会是约人民币一百万元，那我们知道像中国的风场差不多是50兆瓦，我们就来做一个假设，就算是40兆瓦的风场，这就意味着20台2兆瓦的风机，一年损失是2000万人民币，如果20年的话，就意味着4亿人民币的损失。

也就是说每一个风场20年的话，它的损失会是4亿人民币，那我现在又有问题问大家，那我们可以做什么样的投资？这样的话才能够追回4亿损失呢？

比如说，我要是花1亿人民币在这个叶片上，然后让它来做一种适应，或者说来调整，来收回这4亿损失，我们刚才已经看到了很好的例子，有非常好的保护的系统，可以发生什么呢？没有这样的保护系统，或者不够好，我们可以在这里做得更多，可以让叶片变得更加强韧，我们会有更好的可以保证的功率曲线，为了能够找到这个方案，我们需要去了解一下发生了什么。

那在这里，或者说你有很好的无人机，在风机上面去飞，然后去看一下叶片，然后在这里你就可以看到获得的图片，可以有一些特别的风速，从下面吹上去的，然后你有一些风轮速度组件，取决于你设计的一些值，然后实际的风速，那也就是说，也会有一些相应的，造成空气流动的速度。

同时呢，也有一些相应的攻角，然后我们来考虑一下，在这个水平线上的攻角，看到这个曲线，看到这个叶片是在这个5到7的这样一个攻角度来运行，或者是6度，然后在这儿呢，有更多的功率，向上涨，涨到7度和8度，至少在这边没有任何的时速，没有超过它最大的伸力，这个是很好的，这是我们想要的。

那现在让我们来考虑一下，这样一个情况，我们有一个低的空气密度，你可以看到这个颜色，这个红色的箭头，然后这是风速，然后这是一个可以达到额定风速这种情况，然后这样才能达到一定发电量。

那么有时候呢，它的这个噪声水平，我们不想增加这个噪声，之前演讲者也听到了，但是说实话，增加了叶轮的速度，不想增加它的噪声的水平，也就是说在这种情况下，这种低的空气密度，我们是有更大的攻角，针对这样的空气流动的速度。

那么这就是第一个攻角，从绿色区开始转换，转换到了红色区域，然后在这儿是有更高的攻角，我们对此不满意，因为我们现在遇到了失速，超过了上面这个顶端，如果出现相应的边缘侵蚀，那么我们会看到它的这个攻角这块会受到调整，因为在这里呢，这个气流，它的特征是发生了改变，它最大的伸力在下降，尽管最大的伸力是在更小一点的攻角上达到的。

你可以看到在这里，可以获得一些洞察，我们是否可以改变这个情况呢？

首先，我们可以努力地去设计更多的伸力，然后在更大的攻角情况下，或者是更高的伸力的系数。

其次呢，解决方案就是，避免发电量严重下降，我们需要，在给定较大攻角下，提升叶轮相应的系数，这样我们就不会有失速的情况，所以我们放在第一个方案上面，我们可以有更大的升力，在更大的攻角之下。

那我们做一些什么呢？在这样的演讲中我想建议大家看一下两个选择。

第一个，就是去使用知名的涡流发生器，或者是可以使用相应的弦线延长器。第一个，涡轮的发生器可以去提升升力系数，在更大的攻角下，我们可以看到更多的一些，大概40%气流的改变，或者是提升。

关于气流这一块，你可以在叶片这里去加这么一些小的零部件，你可以在这里看到，并不是非常昂贵。

第二个，我们可以使用弦线延长器，我们可以看到红色，这是我们默认的气流B，A是在使用弦线延长器了，在负15度这块效率会更高。

在C这个假设情况下，这个弦线延长器事在0度，那你可以是在0到-15度之间进行相应的调整。

那么会发生什么呢？我们可以看一下升力系数，一个负的角，这个弦线延长器，你可以看到这个升力曲线是向左，从左向右高一点，你可以看到A会有更多正向的弦线延长器的角，然后它向右转换了，你可以看到到C的这个值这块会有一个变化，那在这种情况下，我们想有一个更高的升力，可以达到10度攻角，所以在这里我们选择一个负值的角度，我们可以看一下它的相应的效果。

那我由于21%的相对厚度的翼型，也就是说我们找了110米长的叶轮，然后我们是基于21%的相对厚度这样的翼型，同样也是，我们使用是21%相对厚度来使用弦线延长器。

然后看一下哪个会相对好一点，一个是使用涡轮发电器，一个是弦线延长器，都是使用21%相对厚度的翼型。你可以看到有25%年发电量的提升，这是第一个解决方案，第二个，使用弦线延长器可以使年发电量增加21%，所以在这种特定情况下，就是这个涡轮发电机，这个解决方案胜出。

然后我们要是替代这样涡轮发电器的话，并不仅仅是21%，那对于一些根部的螺栓，因为增加了2.5%这样的年产量，所以说，如果说从这个叶根厚度是21%，你会看到功率曲线有什么变化呢？它没有出现失速，这个叶片离开了我们的失速区了，就是这个曲线，蓝线这里移到了红线的虚线，在更低的空气密度情况下，它可以使年发电量有10%的提升。

也就是说，你使用第一个解决方案，你可以每年挽回大概是50万元的损失，就是说这个利润率总体而言，可以有2亿的损失，你就损失了2亿的人民币。

也就是说在投资的时候，你就可以减去2亿的投资，使用这个涡轮发电器，当然如果你要替换，去维护它。因为使用涡轮发电器，实际上安装成本是不容忽视的。

然后接下来，我们可以讨论一下多个选择，就是更大这样一个攻角，然后更高的升力，那就是说二种选择，就是我们如何能够在额定风速的时候达到额定发电量，这是第二个选项，我现在考虑一下这个。

这里我有三个选择。第一，使用TE块。第二，使用小的翼尖，第三个，我们可以调整叶片长度。

最大弦长和叶根间的TE块，并不是有很高的效率，让我们做空气动力造型的设计，你可以看到在这里做的，我这是考虑这个叶片设计，那我们就可以去看一下在这里增加了这样一个部件，这个会发生什么呢？如果要是在叶片下做的话，就是不包括你的叶轮的旋转器的设计，只是这个叶片。

那么在这儿呢它的这个功率是属于增加了，那么CP从0.9到0.5，这个CP值很好。

然而呢，它的这个年度使用并没有占到CP的2%，功率系数增加是要相对小一点，那么对于这个利润的这种影响，通过记忆块的加强，它是可以提升1%的，然后把它变成金额的话，那也就是说，对于这样一个风场可以获得2千万人民币的提升。

再看一下添加这个小翼尖，小翼尖能给我们带来什么？也就是你可以把它当成一种长度的延伸，但是你却没有增加你的直径，从降噪的角度来讲这是好的，那它也不会像我们增加长度那样的高效，因为我觉得有很多的因素，但是你增加的小翼尖效率，取决于它的高度。

比如说，如果要是110米的叶轮上面，如果你要是怎么一个1米长的翼尖是可接受的，那这能给我们带来什么好处呢？也就是说它能带来一个1%的一个好处，也就是如果说我们的这个风场的话，20年的时间，可能带来2000万人民币。

然后最后一个选择，我觉得跟时间也正好，我给大家来展示一下。

那如果是叶片的长度要改变的话，我们应该怎么办呢？110米，如果你要想把它延长到125米长，我们可以带来更大的能量，发电量会增加，那我们怎么样来实现这种新的叶片增长？或者叶片的长度？

那为了达到这种叶片的长度，我们可以通过系列的模具，或者是分块模段，如果第一种系列模具的话，大部分的翼型，如果说要是分段的模块，也就是一个分段的设计，再强调一遍，我只是说叶片上面的变化，而不是说风机本身做任何的调整。

如果是这种情形的话，叶片增长带来的利润提升是25%，20年也就是5亿人民币，这就是我最后的一张总结PPT。

我们刚才已经确定了默认的这个长度是110米长的叶片，那如何让这样的叶片适用于低密度的风场？

那如果说前叶片的保护，或者避免腐蚀的情况，我们可以看到不同的解决方案，那么大家可以看这个图表，最好的解决方案就是增加叶片的长度，这是很明显的，经济收益也是最高的，那我的演讲就结束了，我要感谢大家仔细的聆听，也要感谢主持人多给了我一些时间。

（发言为能见APP整理，未经本人审核）