重要的风力发电机组几何尺寸

1.风轮直径和扫掠面积

风轮直径决定机组能够在多大的范围内获取风中蕴含的能量。风轮直径应当根据不同的风况与额定功率匹配，以获得最大的年发电量和最低的发电成本。可以配置较大直径风轮供低风速区选用，配置较小直径风轮供高风速区选用。

风轮直径计算方法如下：

风力机风轮输出功率P_r，由以下公式给出：

式中 P_r——输出功率，单位为W；

ρ——空气密度；取ρ=1.225kg/m³；

C_p——风能利用系数；

A——风轮扫掠面积（m²），A=D²；

D——风轮直径，单位为m；

v——风速，单位为m/s。发电机额定功率P_N（W）

式中 v_r——额定风速，单位为m/s；

η_m——主传动系统的总效率，在全负载情况下典型值大约为0.95～0.97；

η_e——发电系统的总效率，在全负载情况下感应发电机配置大约为0.97～0.98，变流器效率为0.95～0.97。

风轮直径

(www.xing528.com)

式中 η=C_pη_mη_e为风力发电机组的总效率。

图5-1 风力发电机组额定功率与扫掠面积的关系

风轮的扫掠面积是风轮旋转时叶尖运动所生成的圆在垂直于风矢量平面上的投影面积。风力发电机组的额定功率与风轮的扫掠面积的比值称为风力发电机组的比功率。图5-1所示为实际风力发电机组的额定功率与扫掠面积的关系，由图可见风力发电机组的平均比功率接近一个常数值（约405W/m²）。

【例5-1】 设计风轮直径：假设额定输出功率为3MW，风能利用系数为0.487，额定风速v_r为12m/s，主传动系统的总效率η_m=0.97，在全负载情况下感应发电机效率为0.97，变流器效率为0.96，则由式（5-8）得

2.轮毂高度

轮毂高度是从地面到风轮扫掠面中心的高度，用z_hub表示，单位为m。其求法是

z_hub=z_t+z_j

式中 z_j——塔架高度，单位为m；

z_t——塔顶平面到风轮扫掠面中心的高度，单位为m。

由于风速的剪切效应影响，大气风速随地面高度的增高而增大，因此普遍希望增高机组的塔架高度，可是增加塔架高度将使其制造费用相应增加，随之也带来技术及吊装的难度，需要进行技术与经济的综合性考虑。

当风力发电机组处于偏离设计风速分布较大的风电场运行时，很有可能难以获得预期的发电效果，在机组的风轮一定的条件下，最佳的弥补方法是改变塔架的高度，使机组能获得满意的风速而运行，为此同一种风力发电机组中，经常配有不同高度的塔筒。

图5-2所示为由统计方法得出的塔架高度与风轮直径的关系。图中表明，风轮直径减小，塔架的相对高度增加。小型风力发电机组受到环境的影响较大，塔架相对高一些，可使它在风速较稳定的高度上运行。25m直径以上的风轮，其轮毂中心高与风轮直径的比基本为1∶1。随着塔架高度的增加，风力发电机组的安装费用会有很大的提高，大型风力发电机组更是如此。

图5-2 塔架高度与风轮直径的关系