第一节 风力发电机组的综合性能和技术参数的设计、计算

风力发电机组的设计就是如何更多地接受风能以获得最佳的风能利用系数，并力求风力发电机组结构简单、效率高，以获得最大的输出功率。

1.风力发电机组的额定功率

设计风力发电机组时，额定功率是给定的数据。

额定功率是风速达到额定风速时风力发电机组输出的功率。风力发电机组在额定风速至停机风速之间都能输出额定功率。额定功率N_e（W）由下式给出：

N_e=KC_aC_tρSv³C_pη₁η₂ （6-1）

式中 K——风力机功率变换系数，见表3-9；

C_a——空气高度密度换算系数，见表3-8；

C_t——空气温度密度修正系数，见表3-8；

ρ——空气密度，以海拔高度为零、温度为20℃时空气密度为基础，ρ=1.225kg/m³；

S——风轮扫掠面积，单位为m²；

v——额定风速，单位为m/s；

C_p——风能利用系数，设计时国家标准规定C_p值为0.44，额定风速时，C_p值只有0.27～0.29；

η₁——机械传动效率。

在传统式风力发电机组中，

η₁=η₃η₄η₅ （6-2）

式中 η₃——风轮轴传动效率，常取η₃=99.5%；

η₄——增速器效率、增速器的增速比i=50～125，η₄=87%～92%；

η₅——联轴器传动效率，η₅=99%～99.5%；

η₂——发电机效率。传统式用异步发电机效率常取96%～98%；

式中，C_pη₁η₂为风力发电机组的全效率η，初设计时可参考表3-10选取C_p值再计算全效率η的值。

对于直驱式风力发电机组其额定功率由下式给出：

N_e=KC_aC_tρSv³C_pη₂ （6-3）

式中 η₂——多极永磁发电机效率。

根据永磁发电机极数不同，其效率为95%～98%，极数多取小值，极数少取大值。

由式（6-3）可以看到，直驱式风力发电机组的全效率η要比传统式风力发电机组高，高约4%～8%。

混合式风力发电机组的额定功率由下式给出：

N_e=KC_aC_tρSv³Cpη₁η₂ （6-4）

式中 η₁——混合式风力发电机组的机械传动效率。

η₁=η₃η₄η₅

式中 η₃——风轮轴的传动效率，常取η₃=99.5%；

η₄——混合式增速器的传动效率，因为其增速比小，其效率为99%以上；

η₂——多极永磁发电机的效率，η₂为95%～98%；

η₅——联轴器的传动效率，通常取η₅=99%～99.5%。

由式（6-4）可以计算出混合式风力发电机组的全效率要比传统式高，高约3%～7%。

2.风力发电机组设计的风轮扫掠面积和风轮直径

利用给定的额定功率N_e初步确定的风能利用系数C_p值，初步确定的机械传动效率η₁和发电机效率η₂，即初步确定风力发电机组的全效率η，就可以计算出风轮扫掠面积和风轮直径。

（1）风轮扫掠面积S（m²）

风轮扫掠面积S（m²）由下式给出：

式中 η——风力发电机组的全效率，η=C_pη₁η₂。

对于传统式，直驱式和混合式，求其风轮扫掠面积时，应以它们各自的全效率代入式（6-5），即会分别求出它们的风轮扫掠面积。

（2）风轮直径D

风轮扫掠面积求出后，风轮直径D（m）由下式求得：

（3）叶片长度

当计算出风轮直径之后，叶片长度L（m）由下式给出：

式中 d——轮毂直径，单位为m。

3.风力发电机组额定风速的确定

风力发电机组额定风速确定原则是以风力发电机组获得最高的年利用率，最高的年发电量、最低的风电成本为宗旨，以使风力发电机组取得最好的经济效益。

风力发电机组的额定风速要参考风场所在地多年的气象风速记录和根据风场测风塔连续一年的实测风速记录及风场的气象、地理环境和自然条件因地制宜、科学合理地确定。额定风速不仅关系到风力发电机组的年利用率、年发电量和风电成本，还关系到风力发电机组的制造成本，要统筹兼顾，避免顾此失彼。

比如中国陆地型风能资源区某风场测风塔连续一年测得距地面50m处的风速为：3～25m/s风速时间为6860h，占全年8760h的78.3%；10～25m/s风速时间为4010h，占全年8760h的45.78%；12～25m/s风速的时间为1680h，占全年8760h的19.18%。

如果选择12m/s风速为额定风速，则风力发电机组最高年利用率为19.18%；如果选择10m/s的风速为额定风速，则风力发电机组年利用率可达45.78%。在风力发电机组功率相同的情况下，额定风速为10m/s的风力发电机组的年发电量是额定风速为12m/s的风力发电机组的年发电量的2.39倍。

当然，在额定功率相同的情况下，额定风速为10m/s的风力发电机组的风轮扫掠面积要比额定风速为12m/s的风力发电机组风轮扫掠面积大，叶片也长，制造成本也高。将两者的扫掠面积及风轮直径进行比较：

当N_e¹⁰=N¹²_e，则

S₁₀=1.728S₁₂

这说明额定风速为10m/s的风轮扫掠面积是额定风速为12m/s的风轮扫掠面积的1.728倍。

将S₁₀和S₁₂代入S₁₀=1.728S₁₂中，得

D₁₀=1.3145D₁₂

在相同功率的情况下，额定风速为10m/s的风力发电机组的风轮直径是额定风速为12m/s的风力发电机组风轮直径的1.3145倍。增加叶片长度不仅会增加风力发电机组的制造成本，还会增加制造难度。这就是国内外风力发电机组制造商把额定风速定在12～15m/s而不肯采用10m/s风速为额定风速的根本原因，也是目前中国陆地型风能资源区的风电场有相当一部分不能达到预期经济效益的主要原因。

如何确定风力发电机组的额定风速事关风力发电机组创造经济效益和风力发电机组的制造成本，应有所突破、有所创新，如何兼顾，对风力发电机组设计尤为重要。

4.气象、地理环境和自然条件

风力发电机组设计应提供风力发电机组未来安装的风电场的气象、地理环境和自然条件，这关系到机舱内的温度控制、机组的防护等。

（1）气温

设计风力发电机组时应提供安装风力发电机组的风电场的平均气温、最高气温、最低气温及持续的时间。

对于标准风力发电机等级，中国南方极端气温范围通常为-20～+50℃；对于中国北方，极端气温通常为-30～+50℃，对于黑龙江黄河等地极端气温为-40～+40℃。

（2）湿度

应提供风电场的年平均湿度、最大湿度的月份及持续时间。设计时正常情况下按相对湿度不大于95%设计。

（3）空气密度

为更准确地计算风力发电机组的功率，应提供风电场地域的空气密度。设计时也可采用标准大气状态下的空气密度ρ=1.225kg/m³。

（4）阳光辐射

阳光辐射主要考虑紫外线对叶片复合材料的老化。

（5）雨、冰雹、雪、冰和冻雨

设计时应给定风电场地域的年降雨、冰雹、雪、冰及冻雨的时间和持续的时间。尤其是冻雨，它会冻在叶片上，不仅加重了叶片的重量，而且由于冻雨在各叶片上覆着的情况不同，会使叶片失去平衡，甚至发生振动。

（6）化学物质的活动

应给出风电场周围空间是否有化学物质，这些化学物质是什么，是否对风力发电机组有腐蚀破坏作用，设计时应予以考虑。

（7）风电场的雷电及防护

应给出风电场的年雷电情况，设计风电机组时应充分考虑风力发电机组的防雷击的措施，风电场不应选择落雷区。

（8）风电场地域的地震

应给出风电场多年来地震或地震涉及的程度、设计风力发电机组时应予以充分考虑，风电场不应建在地震带上。

（9）盐雾

如果设计的风力发电机组是安装在近海、浅海、海岛上，应考虑风力发电机组的防盐雾腐蚀。

（10）当地电网条件

1）风电场距当地电网的距离，并网电压应符合当地电网电压的额定值，误差±10%；

2）电网频率

风力发电机组并网电压频率应符合当地电网电压频率，误差±2%；

3）电压不稳定条件

风力发电机组并网时电压负序分量与正序分量的比率不超过2%；

4）当地电网的停电

应给出当地电网年停电次数及最长停电持续时间，设计时应按当地电网最长持续时间考虑，这个最长持续时间不应少于一周。

（11）风电场的地理环境

应给出未来风力发电机组安装的风电场的地理环境：平原、山地、丘陵、沿海、海滩、海岛，风电场的地质条件及风沙、沙尘暴等。

（12）风力发电机组等级基本参数

风力发电机组等级基本参数是根据年最大风速、年平均风速及湍流强度给出的风力发电机组设计时采用的风力发电机组运行的安全等级，见表6-1，也称标准风力发电机组等级。

表6-1 标准风力发电机等级的基本参数