风力发电深度讲解 第5篇：理想风机——叶片运行效率始终最高，直驱的呢？

大浪淘沙1

第5篇：理想风机——叶片运行效率始终最高，直驱的呢？ (2010-11-04 22:50:37)转载标签： 理想风机cp曲线  
第5篇：理想风机——叶片运行效率始终最高，直驱的呢？
作者“鸡尾酒风机”

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引子1：接近20年前，欧洲的一个老牌博士曾经首次在IEEE上证明过，相对于定速风机（那时还是定速风机的天下），变速风机的传动链虽然添加了变频器，增加了损耗，但因为增加了变速功能，提高了不同风速下叶片的CP，所以风机的发电量反而能上升。

为这个博士，我很愿意破例把一个引子增加一段：如果我来排全球风电科技名人榜的话，who is who in wind turbine，在我心目中，该博士能排入十大风电科技名人榜。



引子2：在Tony《风能技术》这本书中p307页，变速型风机分成两类：宽转速范围和窄转速范围的，并将直驱归为前者，双馈归为后者。



叶片效率有两重含义，

第一重含义是通过合理的叶型、材料设计等，使叶片的效率最佳，此为叶片设计效率，一旦设计好，其CPmax是固定的；

第二重含义是通过风机的传动链（机型）的选择、合理的控制，使得叶片在尽可能多的风速范围内保持高效，此为叶片的运行效率。

这里的文章都不讨论如何设计叶片，只讨论如何选择传动链和合理控制，即第二重含义的叶片运行效率。



翻开一本讲述叶片的书，痛苦的叶素、升阻比、最佳攻角、伯努利等概念，可能让你对叶片望而却步。

不要害怕，下面我尽量科普的解释叶片的发电量，完全不懂叶片理论怎能更深刻的理解风机？

请记住我会有定量分析，而不是定性，所以不可避免的公式是不可少。虽然每一个公式会杀死（吓跑）50%的读者，但这正是你深刻理解叶片的时候。



第一部分：推导

叶片的发电量P = CP  *0.5*ρ*π*R2*V3

即P = CP  *0.5 *空气密度*扫风面积*风速3次方

CP是叶片效率，当叶片长度固定时，提高叶片的发电量P完全取决于提高CP。



CP是是一个二元函数，CP(λ,β)，即CP(叶尖速比,桨角)

λ叶尖速比= 叶尖的速度/风速 = k*叶片转速/风速    （公式1）



额定风速以下时，桨角基本不变，约等于0附近的一个数，CP变成一个一元函数，CP(λ)，

即CP(叶尖速比)。

现在我们已经大大简化CP函数了，CP(λ)是一个怎样的函数呢？上图！



图1， CP(λ)曲线

这是一个典型的叶片CP曲线。当λ等于一个最佳值λopt时（图中λopt=7.5），CP(7.5)=CPmax（图中CPmax =0.45）。



欲让叶片始终效率最高，即保持CP=CPmax恒定最大，必须保持λ=λopt恒定。

现在，叶片始终效率最高这个问题，转化成如何保持保持λ=λopt恒定。



第二部分：举例

举一个例子，假设切入风速为3m/s，额定风速12m/s。当风速变化从3m/s到12m/s，叶片转速需从4 rpm 变化到16rpm。这样才能全程保持λ=λopt恒定。

即λopt=k*叶片转速/风速 = k*4rpm / 3m/s = k*16rpm / 12 m/s。

即，叶片转速比必须保证是4倍，才能保证叶片最佳发电量。



第三部分：结论

稍微对公式1做个简单变换可知。

结论1：理想风机的叶片转速范围必须足够宽：

叶片转速比 = 额定转速/切入转速 = 额定风速/切入风速   （公式2）

结论2：谁家风机的叶片转速范围越宽（最高转速/最低转速），叶片保持最佳发电量的风速段越宽，如图2所示。

叶片转速范围由叶片转速比（最高转速/最低转速）来定义。









图2，理想CP曲线、典型双馈CP曲线、典型直驱CP曲线



最后：具体应用

理想风机的叶片先讨论到这里，下面看看具体应用到不同类型风机的。

这里有个简单的比较列表，各家不同类型风机的叶片转速范围。

类型
厂家
机型
功率MW
速比(转速范围）=

最大转速/最低转速

定速
金风
GW49
0.75
1.01

双馈
Nordex
S70
1.5
1.97

直驱永磁
金风
GW70
1.5
2.32

高速永磁
GE
2.5xl  
2.5
2.80

高速异步
Siemens  
SWT-2.3-82
2.3
3.30

直驱电励磁
Enercon
E70
2.3
3.58


表1:各家不同类型风机叶片转速范围



比如Nordex双馈，1.5MW风机（77m直径的），转速范围是10.6-19rpm，其能追踪的最佳风速范围是6-10.8m/s。很容易通过（公式2）验证： 19rpm / 10.6rpm =  10.8m/s  / 6 m/s。



从表1中可以明显的看出，转速比由高到低依次为：

第一梯队：采用电励磁同步发电机和异步发电机的风机，无论是否直驱

第二梯队：采用永磁同步发电机的风机，无论是否直驱。

第三梯队：采用双馈发电机的双馈风机。

第四梯队：几乎不可调速的定速风机。

从上表中可以明显的看出，

1、 采用全功率变频器的风机(含直驱风机)都有个特点，转速范围明显宽于双馈。这是由于双馈发电机的转速范围就这么窄。

2、 全部直驱风机中，enercon的转速范围明显宽于金风，所以即使相同的叶片，enercon的叶片发电量会比金风大，主要原因是发电机的不同决定了enercon的转速范围更宽。具体原因在下篇传动链中分析。



好了总结一下基本概念，

   理想风机CP曲线在额定风速下应该是条直线（转速比基本需要达到4）；

现实中的风机谁转速范围宽，谁发电量大；

转速范围由发电机+变频器决定。

请务必记住这些概念。可以看看引子2提到的书。



如果有想更深入了解，更公式化分析比较各种类型风机效率的，可以参看我在IEEE的一电力杂志上已通过一审的文章。文章是letter不是paper，该电力杂志一年仅发4篇letter，80多篇paper。如果你要是不知道牛X的IEEE话，我愿意无厘头的自行删除qq+360，呵呵。



下一篇预告

理想风机——传动链效率尽量保持最高效，直驱的呢？
引子1：我一直有个目标，真正的了解直驱风机，比直驱风机厂家的人还懂直驱。

aser

楼主太懒了，文章中的关键的图都没有贴上来

baronshen

有深度，好像看过似的