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风力发电机转速感觉很慢，那么其效率呢？
(2015-11-17 20:14:32)
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杂谈 |
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- 作者：泰姆雷
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链接：http://www.zhihu.com/question/37407349/answer/71909281
- 来源：知乎
先说个结论，风力发电机，并不是转得越快发的电越多的。
注意一个问题，发电机（不仅限于风力发电机）所输出的功率可以粗糙地看作正比于转速与转矩的乘积。这里的转矩是由发电机励磁（或永磁）得到的电磁转矩。
考虑两个极端状态：
1. 转矩非常大，大到风力推不动叶轮。此时转速为0，转矩极大，功率输出为0。
2. 转矩为0，此时转速会加速到非常高——实际上这是飞车状态，极端危险。由于电磁转矩为0，功率输出为0。
两种极端状态下功率都是0，所以存在一个最佳转速，使输出功率最大。
这个最优的转速的理想值可以由贝兹理论算出来，这里要引入一个概念，叫叶尖速比，也就是叶尖的线速度与风轮前方的风速的比值。一定风速下，风机的出力和叶尖速比呈一个非线性关系，可以通过理论推导计算出来各个风速下的最佳叶尖速比。实际的最佳叶尖速比跟叶片翼型，机组内部损耗之类的相关，但是不会偏离理论值太远。
也就是说，当风速一定时，转速控制目标就是达到最佳的叶尖速比。所以风轮直径越大，叶尖的线速度就会越大，转速就得越慢。
注意一个问题，发电机（不仅限于风力发电机）所输出的功率可以粗糙地看作正比于转速与转矩的乘积。这里的转矩是由发电机励磁（或永磁）得到的电磁转矩。
考虑两个极端状态：
1. 转矩非常大，大到风力推不动叶轮。此时转速为0，转矩极大，功率输出为0。
2. 转矩为0，此时转速会加速到非常高——实际上这是飞车状态，极端危险。由于电磁转矩为0，功率输出为0。
两种极端状态下功率都是0，所以存在一个最佳转速，使输出功率最大。
这个最优的转速的理想值可以由贝兹理论算出来，这里要引入一个概念，叫叶尖速比，也就是叶尖的线速度与风轮前方的风速的比值。一定风速下，风机的出力和叶尖速比呈一个非线性关系，可以通过理论推导计算出来各个风速下的最佳叶尖速比。实际的最佳叶尖速比跟叶片翼型，机组内部损耗之类的相关，但是不会偏离理论值太远。
也就是说，当风速一定时，转速控制目标就是达到最佳的叶尖速比。所以风轮直径越大，叶尖的线速度就会越大，转速就得越慢。
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- 作者：老毕
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链接：http://www.zhihu.com/question/37407349/answer/72027489
- 来源：知乎
如另外答案所说，转得慢不代表效率低。实事上更加有趣，转得慢才是效率最高的时候，但净上网功率是比较小的。
风力机的MPPT（最大功率点追踪）要求风力机在满足各种约束前提下最大可能捕获风里的能量。一个特定的叶轮构型存在一个全局的捕获效率最优值，对应一组特定的pitch angle（变桨角）和tip-speed ratio（叶尖速比）的组合，一般来说这时变桨角接近0度，叶尖速比7~8左右的样子。
对风力机有所了解的朋友可能知道功率曲线这种东西，baseline的功率曲线分三段线：
风力机的MPPT（最大功率点追踪）要求风力机在满足各种约束前提下最大可能捕获风里的能量。一个特定的叶轮构型存在一个全局的捕获效率最优值，对应一组特定的pitch angle（变桨角）和tip-speed ratio（叶尖速比）的组合，一般来说这时变桨角接近0度，叶尖速比7~8左右的样子。
对风力机有所了解的朋友可能知道功率曲线这种东西，baseline的功率曲线分三段线：
- Partial load under rated rotor
speed，此时变桨角为最优，通过调节电机负载转矩来调整叶尖速比为最优，从而维持叶轮的捕获效率最优值。这个范围内风力变大，转速线性增加，在某个风速下达到叶轮额定转速。公式就不放了。先进的低速型风机这一段的效率能达到50%
，很不错了，但输出功率也就是额定功率的一小半的样子。
- Partial load at rated rotor
speed，此时变桨角仍为最优或略有调整，叶轮始终工作在额定转速（允许有波动但set
point就是额定转速），通过调节电机负载转矩来维持转速，叶尖速比不再是最优。随着风力变大，电机负载线性增大，在某个风速下达到满发功率，即所谓nominal
wind speed。
- Full load at rated rotor
speed，即满发功率，电机负载转矩已经无法继续增大来降低叶轮转速，这时需要增大变桨角来降低对风能的捕获。随着风力变大变桨角逐步增大（非线性），最终达到cut-off
wind speed时切出。
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