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风力发电机转速很慢,是否也能得到较高的效率?



风力发电机转得慢不代表效率低。实事上更加有趣,正常工作时转得比额定转速慢才是效率最高的时候,但净上网功率是比较小的

(补充:这里的“效率”是指叶轮对风能的捕获效率,而非风力发电机总体或者齿轮箱/发电机本身的效率。齿轮箱/发电机本身的效率都是在额定功率下略高,这个回答中不考虑。)


风力发电机是一种发电设备,每一种风力发电机有自己特定的额定功率/转速/工作风速等,其叶轮设计存在一个全局的风能捕获效率最优值,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。


风力发电机在设计上的基本原则是,能够捕获的空气动能带来的功率小于其额定功率时,尽可能得以高效率捕获风能,但不能超过一些约束,比如其额定转速。当能够捕获的空气动能大于其额定功率时,主动降低对风能的捕获并保持在额定功率。对其有进一步了解的朋友可能知道功率曲线这种东西,随着风速从切入风速(cut-in speed)逐渐增大,稳态的功率曲线可以基本地分为三段线:

1.低于额定转速的部分载荷段,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。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。在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,接下来便是下一段:


2.位于额定转速的部分载荷段,此时变桨角仍在0度附近,叶轮始终工作在额定转速(允许有波动但设定值就是额定转速),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(即额定风速,rated/nominal wind speed)下达到满发功率。风速超过额定风速后继续来到下一段:

3.满发功率段,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),最终达到切出风速(cut-off wind speed)时切出。


较新的低风速型风机额定转速也才10转/分的样子,在功率曲线第1段时最低工作转速可能只有一半左右。所以看起来是很慢的。但是如果你看到的叶轮的确非常慢但速度比较恒定,一分钟不过两三转,那一般是在热车准备启动。如果是刚刚能察觉到的转动,几分钟也转不了一圈那种,一般是处在parking状态,只是顺桨情况下也做不到风载荷完全为零,有一个很小的力矩刚刚能克服传动链里的阻尼把叶轮推动一点点。


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