第五篇：理想风机——叶片运行效率始终最高，直驱的呢？

作者“鸡尾酒”

http://blog.sina.com.cn/cocktailturbine

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！

http://s9/middle/6793e76at943b55f77cc8&690

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λ_opt时（图中λ_opt=7.5），CP(7.5)=CP_max（图中CP_max =0.45）。

 

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

即λ_opt=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：理想风机的转速比必须足够宽：

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：在相同风机功率、叶片长度、额定转速和接近相同的翼型下，谁家风机的转速比越宽，则转速范围越宽，叶片保持最佳发电量的风速段越宽，如图2所示。

 

 

http://s8/middle/6793e76at943b5816c5a7&690

http://s5/middle/6793e76at943b58725ef4&690

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，各家不同类型风机转速比。

表1:各家不同类型风机转速比

 

请注意，转速比由不同类型的发电机+变频器决定，跟叶片长度、功率大小关系不大。

 

比如，Nordex双馈1.5MW风机，70m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。

Nordex的77m直径风机的运行范围是9.9-17.3rpm。同上述70m直径的风机比较起来，转速范围差异很大，但转速比是一样的=19/10.6=17.3/9.9，因为双馈发电机+变频器决定其转速比。

 

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，其转速比明显宽于双馈。这是由于双馈发电机的转速比就这么窄。

2、 全部直驱风机中，enercon的转速比明显宽于金风。所以假设采用相同风机功率、叶片长度、额定转速和接近相同的翼型下，enercon的发电量会比金风大，主要原因是发电机的不同决定了enercon的转速比更宽，从而转速范围更宽。具体原因在下篇传动链中分析。

 

转速比对比较不同类型风机发电量的比较很有好处。

如果比较不同类型风机发电量大小，比如双馈和直驱，肯定需假设相同的叶片，相同的功率，相同的额定转速、和接近相同的翼型下。

此时，不同类型风机的发电量完全取决于转速比，某类型风机的转速比大，则转速范围宽，则工作于最佳cp的风速段宽，则发电量大。

 

好了总结一下基本概念（相同功率，相同叶片，相同额定转速下、和接近相同的翼型下），

    1、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）；

    2、哪种类型风机的转速比大，则其转速范围宽，其发电量大。

    3、其中，电励磁直驱风机的转速比大于永磁直驱的，后者又大于双馈风机的转速比；

    4、转速比主要由不同类型的发电机+变频器决定，跟叶片长度、功率大小关系不大。

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IEEE。

 

本文初稿，将转速比=转速范围这样来定义，现在考虑大家多数习惯认为转速范围是x-xx rpm，因此对二者做严格区分，此为修改稿。真是菜死了，竟然试图将多数人习惯的定义重新定义，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。