第五节 风力发电机的效率及与效率相关的参数

风力发电机利用风轮叶片接受风能旋转，将风的动能转换成风轮旋转的机械能，再将风轮旋转的机械能通过增速器、联轴器的增速和机械传递送到发电机，发电机在旋转的机械能的驱动下旋转发电，这就是风力发电机的机理。

风力发电机就是利用风轮接受风能，将风能转换成机械能，再将机械能转换成电能的设备。

风力发电机组的额定功率是指风力发电机组最终输出的额定功率，也是风力机最终输出的有效功率。

风的动能由下式给出：

式中 C_aC_tρvS——风的单位时间内流经风轮的质量，单位为（kg/m³）/s；

S——风轮扫掠面积，单位为m²；

v——风速，单位为m/s；

C_a——空气高度密度换算系数，它是不同海拔高度的空气密度的修正值，见表3-8；

C_t——空气温度密度修正系数。温度不同，空气密度也不同，见表3-8；

ρ——空气密度，以海拔为零、温度为20℃时的空气密度为基础，ρ=1.225kg/m³。

引入风力发电机组功率换算系数K及全效率η后，空气密度修正系数C_a、C_t见表3-8，风力发电机组的额定功率为

Ne=KC_aC_tρSv³η （3-47）

式中 K——风力发电机组功率换算系数，由于计算制不统一而进行统一的换算系数，见表3-9；

η——风力发电机组的全效率，设计初估时参考表3-10。

风力发电机组的全效率包括风能利用系数C_P，机械传动效率η₁和发电机的效率η₂。而机械传动效率η₁又包括风轮轴的传动效率η₃、增速器的传动效率η₄和联轴器的传动效率η₅。

表3-8 空气密度修正系数C_a、C_t

表3-9 风力机功率换算系数K

表3-10 设计风力发电机组初估叶片全效率取值表

（续）

全效率要根据风力发电机组风轮采用的叶片翼型、升阻比、尖速比、叶片密实度、叶片的相对风向角、额定风速、机械传动效率、发电机效率等来确定。到目前为止，风力发电机组的全效率一般为25%～42%。

风轮接受风能，其风能利用系数C_P=0.2～0.44，到目前为止：尚没有风力发电机组风轮的风能利用系数达到或超过0.44的。

图3-14是不同风力机叶片的尖速比与风能利用系数的关系曲线：图3-15是尖速比与叶片密实度的关系曲线；图3-16是尖速比与叶片形状参数的关系曲线；图3-18是尖速比与叶片相对风向角的关系曲线。图3-15、图3-16、图3-18是确定叶片尺寸、面积和扭曲程度的曲线，在设计叶片时的计算依据之一。图3-17是叶片翼型的升阻比与风能利用系数的关系曲线，从图中可以看到，叶片翼型的升阻比越高则风能利用系数越高。

图3-14 风能利用系数与尖速比的关系

1—水平轴风力机理想效率曲线 2—两叶高速风轮效率 3—达里厄风力机效率 4—索旺尼斯风力机效率 5—多叶片风力机效率 6—四臂形风力机效率

传统式风力发电机组的机械传动效率，对于增速器的增速比i=50～125的，其机械传动效率为87%～92%。对于4～6极绕线转子交流励磁异步发电机的效率，不计交流励磁和冷却功率损失，通常其效率在95%～97%左右。

直驱式风力发电机组没有增速器、联轴器和风轮轴等机械损耗，其全效率要比传统式风力发电机组的全效率高4%～8%。

混合式风力发电机组由于增速器的增速比只有i=3.5～7.5，其机械传动效率可达到99%，其全效率比传统式风力发电机组高4%～7%。

图3-15 叶片密实度与尖速比的关系

图3-16 风轮叶片形状参数与尖速比

图3-17 尖速比与风轮效率及升阻比的关系

图3-18 叶片尖速比与相对风向角ϕ的关系曲线