第二节 风力发电机组设计用到的参数
风力发电机组设计是复杂的、涉及到多学科的综合设计，在设计中要涉及到很多参数。这些参数关系到风力发电机组的功率、年利用率、风能利用系数、发电量、风电成本、风力发电机组的制造成本、风电机组的寿命、风力发电机组创造的经济效益等诸多方面。
这些参数也直接影响所设计的风力发电机的成功与否，甚至关系到所设计的风力发电机组未来的市场开拓力和竞争力。
比如，某风场年平均风速5.6m/s，年3～25m/s风速为6500h，年12～25m/s风速为1200h，年10～25m/s为4200h。如果将额定风速选择为12m/s，则每年发出额定功率的时间是1200h，占全年8760h的13.7%；如果选择10m/s风速为额定风速，则每年发出额定功率的时间是4200h，占全年8760h的47.95%。后者是前者额定功率发电量的3.5倍，虽然在相同额定功率下后者的制造成本要比前者高一些，但从风力发电机组创造经济效益的角度出发，前者市场开拓会十分困难，甚至在陆地型风能资源区的风电场不具有竞争力。
1.风速
风速在气象中的定义为：某一草地上距草地10m高的空间在10min内的风速的平均值称作这一地方某一时刻的风速。
风速的随机性很大，同一地方不同时间段内风速都是不一样的。
2.风力等级、风速和风压力
英国人蒲福（Beau fort）于1805年将风速和风力分成13级。后来，根据风的破坏力超出了13级，到1946年又将风力和风速的级别由13级修订成17级。
风压是一定风速吹在与风速相垂直的平面上的单位面积上的压力。笔者将风压也一一相对应地列在蒲福风力等级表中，供参考。
表5-1为蒲福风力等级表。
表5-1 蒲福风力等级、风压力表
（续）
3.年平均风速
年平均风速是全年测量的瞬时风速的平均值。年平均风速常被用来宏观上衡量当地风能密度及风能资源的重要参数。
年平均风速中包括风力发电机组不可利用的风速部分，如25m/s以上的风速，但在年平均风速里超过25m/s风速会提高年平均风速值。年平均风速只是宏观上描绘风能资源的情况。
为了较为准确地掌握风场一年四季距地面30～50m高度的风速，除气象记载的平均风速做参考之外，还应建风塔实测风速。
4.风力发电机组设计所需要的风速的测定
风速，是风力发电机组设计的最重要的参数。设计风力发电机组之前，应在将要安装风力发电机组的风场建立测风塔。测风塔的高度视设计的风力发电机组的功率、额定风速和风轮直径而确定。通常测风塔高30～50m，多为50m，并在30m和50m两处分别安装测风仪。测风仪是能测定风速、风向、湿度、气压等参数的综合测量、计算、存储功能的设备。它是由风速传感器、风向传感器、湿度传感器、气压传感器、计算机、存储器等组成。传感器将其采集到的信号经A-D转换，计算机处理、计算，存储器存储并记录计算结果和表格等。
对风速的采样时间为1s，每10min进行一次计算并记录、存储。
测风塔立在荒野，通常由电池为其供电。一般一个月更换一次电池，同时取出存储器再重新安装新的存储器。
测风塔通常测量12个月的风速、风向、湿度和气压，为风力发电机组设计提供真实、可靠的参数。
测风塔应安装避雷装置、防雷导线截面不得小于10mm2，接地电阻不大于4Ω。
5.风功率密度
垂直于风速的单位面积上所获的风能密度称作风功率密度。风功率密度是平均值，不是瞬时值。
风功率密度是风速和空气密度的函数。风功率密度的单位为W/m2。
空气密度又是温度和高度的函数。
6.有效风速和有效风速范围
风速是随机的，不是所有的风速都能使风力发电机组的风轮转动，也不是所有的风速都能使风力发电机组安全运行输出功率。所谓有效风速就是使风力发电机组安全运行输出电能的风速。
有效风速范围是使风力发电机组安全运行输出电功率的风速范围。现代风力发电机组通常将3～25m/s列为有效风速范围。
有效风速也称可利用风速。有效风速范围也称可利用风速范围。现代风力发电机组通常将25m/s以上风速称作风力发电机组不可利用风速。
7.有效风速可利用的时间或有效风速范围的时间
有效风速可利用的时间是指其在全年8760h里所占的时间。有效风速可利用的时间对风力发电机的设计十分重要，它直接影响风力发电机组年发电量和发电成本。
8.起始风速
使风力发电机组的风轮开始转动的风速称作风力发电机组的起始风速，亦称切入风速，它是风力发电机设计的一个重要参数。
9.额定风速
使风力发电机组开始发出额定功率的风速称作额定风速，它是风力发电机组设计的重要参数。
额定风速的确定关系到风力发电机组的年利用率、年发电量和风电成本。在确定额定风速时，要根据测风塔年测定的风速因地制宜，要以风力发电机组有较高的年利用率、最多的发电量和最低的风电成本为宗旨，切不可一律采用传统的12～17m/s的额定风速。
额定风速选得高会降低风力发电机组的年利用率、年发电量，使风电成本升高；额定风速选得过低会增加叶片长度和塔架高度，会增加风力发电机组的制造成本。因此，额定风速要选择合适，使各项指标相得益彰。
10.停机风速，也称切出风速
停机风速是指风力发电机组在这个风速的工况下停止运行，以避免风力发电机组遭到损坏。停机风速也是风力发电机组设计的重要参数。
11.不可利用风速
不可利用风速是指风力发电机组不能利用的风速，小于起始风速的风速和大于停机风速的风速都是风力发电机组不可利用的风速。
12.风力发电机组抗最大风速，亦称生存风速
风力发电机组停机后所能抵抗而不遭到破坏的风速称作风力发电机组的抗最大风速。国内外现代风力发电机组通常将45～50m/s的风速定为风力发电机组的抗最大风速。
抗最大风速要根据风电场的自然条件、地理环境、30年一遇的最大风速、风力发电机组的叶片长度、塔架高度及塔架基础，综合考虑并经计算确定。
13.风力发电机组的额定功率
风力发电机组的额定功率是指风速达到额定风速之后风力发电机组所发出的功率。额定功率是风力发电机组设计的重要参数。
风力发电机组在额定风速至停机风速之间的风速范围内通过调速系统会保持额定功率输出。
14.风轮扫掠面积
风轮旋转的圆面积称作风轮扫掠面积，简称扫掠面积。它是风力发电机组设计的重要参数。
风轮接受风能的最大值为
从式（5-1）可以看到，风轮接受风能的值与扫掠面积S成正比，扫掠面积越大则风轮接受的风能越大。
风轮扫掠面积S为
式中 D——风轮直径，单位为m。
15.风力发电机组的年利用率
风力发电机组年运行发电的时间与全年8760h的比值称作风力发电机组的年利用率。
风力发电机组在可利用的风速范围内由于故障停机或电网原因停机等所占用的时间不是风力发电机运行发电的时间。如某风电场的一台风力发电机组年运行发电的时间为4100h，则这台风力发电机组的年利用率为46.8%。
16.风力发电机组的叶片数
安装在风力发电机组轮毂上的叶片数称作风力发电机组的叶片数。叶片数是风力发电机组设计的重要参数之一。水平轴风力发电机组的叶片数是由尖速比、叶片的密实度来决定的。现代风力发电机组的叶片数有2叶片、3叶片和4叶片，水平轴风力发电机组基本上都采用3叶片。对于认为3叶片是水平轴并网风力发电机组的最佳叶片数的观点，笔者不能苟同。笔者认为水平轴并网风力发电机组4叶片要比3叶片的风能利用系数高，但4叶片会使风力发电机组的制造成本要比3叶片的制造成本高，这也是国内外风力发电机组制造商不愿采用4叶片的根本原因。风力发电机的叶片数与尖速比见表3-1。
17.尖速比λ
尖速比是风轮叶片尖端的线速度与风速之比，用λ表示。
风力发电机组叶片尖端线速度应有一定限度，就是说尖速比应有一定限度，这主要取决于叶片尖端线速度。法国的L·瓦多特设计的Best Romani风力发电机组，试验一种尖速比大的风轮，将原来风轮转速43.7r/min，尖速比λ=7增加到风轮转速71r/min，尖速比达到11.373，此时叶片尖端线速度达到112m/s，结果一个叶片损坏。埃菲尔试验室负责人和这台风力发电机组的设计者L·瓦多特认为，100m/s是风力发电机组叶片尖端线速度的极限值。随着科学的发展和技术的进步，叶片材料也在发展中，设计时还是应进行设计计算来决定叶片尖端线速度。
18.风力发电机组用发电机的形式、额定功率、电压、电流及频率
在设计风力发电机组时应选择发电机的形式。发电机适用于风力发电机组的有多极永磁同步交流发电机，它的特点是可以做到多极低转速、效率高、重量轻、噪声小、温升低，适用于直驱式和混合式风力发电机组。另一种是绕线转子交流励磁的双馈式异步发电机，传统式风力发电机组基本上采用这种发电机。这种异步发电机很难做到多极低转速，通常为4极或6极，致使增速器的增速比很大，增速器的寿命短，只有4～6年。
风力发电机组的发电机的额定功率、电压、频率是风力发电机组设计的重要参数。发电机的额定功率就是发电机达到同步转速时所发出的功率，而电压、频率在现代IGBT变流器的逆变后完全可以达到并网的恒频、恒压要求。
供中国国内的风力发电机组的电流频率为50Hz，有的外国的风力发电机组的电流频率采用60Hz，视供给国情况而定。
19.风力发电机组的形式
风力发电机组可分为传统式、直驱式和混合式三种形式。
笔者认为未来最有发展前景的是直驱式和混合式两种形式，而传统式会逐渐淡出市场。详见第四章第一节风力发电机组按驱动形式分类。
20.风力发电机组的寿命
现代水平轴并网风力发电机组设计的使用寿命国内外通常为20年。所谓风力发电机组的寿命为20年就是风力发电机组的主要部件应安全可靠地服役20年，如风轮、风轮轴、增速器、发电机、机舱、塔架等都应安全可靠地服役20年。但目前传统式风力发电机组由于采用4极或6极异步发电机，致使增速器的增速比很大，造成增速器造价昂贵且寿命只有4～6年，达不到20年的使用寿命，这也是现代风力发电机组制造商追求用多极永磁发电机的直驱式和混合式的最重要的原因。