风能利用的效率问题

或者

P0.678aA3 (12.9b)

式中a=0.0024lb s2/ft4，A的单位是，因为速度的常用单位是英里每小时，所以将利用下面的公式进行单位转换：

vft/s1.47mph (12.10)

下面给出对上述公式的改进形式来确定风能功率：

13PACp (12.11) a 2

式中Cp 是涡轮机功率系数，涡轮机功率系数表示的是涡轮机的风能转化效率。它给出了一种测量涡轮机转子所能利用的占大量能量比例的方法。涡轮机功率系数是转子设计和

TSR的函数。

TSR是涡轮机转子和风速的相对速度，并且有一个固定的最大值约为0.4。涡轮机叶片端速和风速的相对速度由下式给出：

=

r



(12.12)

式中：r是涡轮机叶片扫过圆周的半径（即涡轮机叶片半径）

是涡轮机叶片端速 是风速

图12.9给出了对应多种风能转化器的端速相对速度的曲线。

这里的TPR是涡轮机叶片端速的切线方向的速度tip和无扰风速v0的比值，记作。因此有：

=

叶片端速的切线速度

（ . ）

无扰风速

1213

=

tip

v0

（1213b.）

显然，给定风速和扫掠面积的风能功率由12.8或者是12.9b确定。但是，涡轮机并不

能将风能全部利用。理论上的风力涡轮机可利用的部分的最大值由贝兹系数来表征。

风能是运动的能量。为了获取风能，涡轮机叶片必须降低风速当风穿过叶片的时候。因此，当风穿过涡轮机后，风的速度（同时有风的动能）会小于原始的数值。

这里我们知道，风能所损失的动能就转化为涡轮机叶片的动能。如果，穿过涡轮机后，风速减少了原始风速的个最大值为：

贝兹系数=0.5926

（图12.9 TSR曲线对不同形式的涡轮机（功率系数是表征涡轮机所能利用的风能占原始原始风能的比例）理论上的最大值为16/27=0.5926。图表反映了在不同涡轮机下TSR和功率系数的变化关系：（a）风车，（b）现代三叶片涡轮机，（c）垂直达理厄型风力机，和（d）现

12

（即为原始风速的），涡轮机将获得理论上的最大转化效率。这33

代二叶片涡轮机。）

这就意味着风力机的输入功率最好为59%的由12.8或者是12.9b确定的风能功率。真正的叶片效率在一定意义上是小于贝兹系数的。它是如公式12.13所反映的叫做TPR的函数。

功率系数

Cp

是测量风力机所能利用风能的工具。理论上的最大值为

Cp =0.5926

。

图12.9反映的就是TSR和功率系数

Cp

的关系。

从图中可以看出风力机的功率系数在TSR最大值

optimal

。还可以看出风力机系统利用异

步发电机就是转矩变化独立于速度在1%到2%的范围内变化的异步发电机。

一般来说，风中蕴藏着巨大的能量。但是这些机械能转化为电能的效率很低。一个典型的风能转化系统的效率只有20%—30%。 例12.2

在风车的风力机下，风车的叶片半径为5米，风速为10m/s，试确定风能功率。 解：

风力机叶片扫掠的面积为：

Ar2 =(5m)2 78.54m2

因此，风能的功率为：1

aA321

=(1.24)(78.54)(10)3

2

48695WPP48695Cp =48695(0.20) 9.739W

这显然要远远小于风能原始功率。

如果风力机的功率系数为0.2时，转化为电能的功率为：

12.9 风能功率的影响因素

在任何的风能转化系统中，风力机所安装的塔的支持是必须要考虑的。当风吹过风力机时，就会给风力机叶片施加力。这个力由SI和英国系统确定，公式为：

Fw=0.44aA2 (12.14)

另外，风施加给安装风力机的塔的力

Ft

也必须考虑。这些力会引起塔基在顺时针方向

的力矩。这个力矩是风速、叶片大小和塔高的函数。

正是由于此，大功率的风力机安装在高塔上必须要塔支持。还有，大部分的风力机会有

自动停转的最大风速限制。未来的风力机会使叶片自动的和风向保持平行来避免任何可能的对风能转化系统的损害。

12.10 塔高对风能功率的影响

一般常识告诉我们，塔越高就会是风力机获得越大的风速。但是，地表的风也可以被不规则或者不平整的地表或者是已经存在的森林和邻近建筑物所影响。塔高和风速的关系由下式确定：

H= (12.15) 0H0

式中：

是H高度处的风速



0是已知的H0高度处的风速

是摩擦系数

在欧洲，这一关系表示为：

ln(H2)= (12.16) ln(H2)0 0

有很多因素可以影响风速。比如，海拔，周围的地形轮廓，高建筑物，以及树。不同塔

高的平均风速不同。如果平均风速在不同高度处是相同的，则低高度处的位置是好的选择，因为低高度意味着低成本。

更进一步的，海拔越高风速越大，这就为在高海拔处于利用小功率的短叶片风力机而不在低海拔处利用大功率长叶片的风力机产出相同功率提供可可能。

摩擦系数的值根据不同的粗糙度的地形而不同，具体的值见表12.2 表12.2

如果在开阔的平原地带在10m高度的平均风速是6m/s。试确定在50m高度处的风速。 解：

查表12.2可得，=0.15并且利用公式12.15，

H50==0H010

或者

0.15



0.15

v5050

=610

因此，在50m高度处的风速为：50v50=6

10

0.15

=7.6m/s

例12.4：

假设A点的平均风速是6m/s，B点的是7m/s。为了获得2kW的功率，试分别求满足条件的风力机叶片直径d在A点和B点运行时。解：

（a）利用公式1210.，给定的风速换算单位为：

=1.47vmph

=1.476

=8.82ft/s（A点处）和=1.47vmph =1.477

=10.29ft/s（B点处）根据公式12.9b，在

A点有：A =

P

0.678a3

2000W

0.6780.00248.823 1791.4ft3因为d2

A

4所以d

47.76ft(b)在B点有：A =

P0.678a3

2000W

0.6780.002410.293 1128.09ft3因此：d

37.9ft

因此，一个小功率的便宜的风力机在B点可以产出一个大功率的风力机在A点的功率。

12.11 风能测量装置

风能测量装置一般由一个风速计（测量风速）和一个风向标（测量风向）组成。从19世纪开始，在大多数国家，国家气象局会测量并统计风的各项数据。一整年当中气象局每天每隔数小时会记录风速、风向、气温、和其他的理论数据。这些数据每天会报告给中央气象局。

现在风的各项数据会自动记录。这些观测数据是构成风数据的基础，风数据用来描述不同的气象在不同的地区，也用来生成风图表集进而预测计算风力机的期望功率在不同地点。

然而，过去的天气观测员一昼夜每个4小时会读取风速计数据。观测员们会观察风速计数分钟，然后会记录这段时间内平均值。另外，风速会受到风速计的海拔位置、观测员读取风速计数据的人为误差、风速计的质量和精确度等因素的影响。

一个典型的风速计工作在直径上的气流。当风吹过时，风速计会以一定的速度旋转，速度和风速成比例。典型的风力机来说，一台永磁式直流发电机会和风力机旋转轴相连，这样就会产生一定的电压，这一电压和实时风速成比例。第二件所需的工具是风速记录仪。风速记录仪是一台和风速计相连并且实时记录风速的电子仪器。 例12.5

已知风力机的叶片半径为8ft，经测量得到此地的3h内的风速是3mph，再过3h的风速是12mph。试确定此段时间内，风力机发电的电能。解：

首先，电能必须每3h分开计算.在第一个3h内：平均风速是：

ft/s

)(3mph)=4.41ft/smph

avg=(1.47

利用公式12.9b,

P0.6780.0024314.164.413 43.84W上式中 A=(10ft)2 314.16ft2

所以有：E1(43.84W)(3h) =131.52Wh =0.13152kWh在第二个3h内：

ft/s

)(12mph)=17.64ft/smph

avg=(1.47

利用公式12.9b,

P0.6780.0024314.1617.643 =2806W

所以有：E2(2806W)(3h) =8.418kWh

因此，总能量为：E=E1+E2

=0.13152+8.418 8.56kWh

12.12 风力发电机的特性

风力发电机最重要的特性就是它的功率曲线。一般来说，该曲线是风力发电机生产商提供的。功率曲线反映的是近似的输出功率和风速的函数关系。图12.10是典型的额定功率为3kW/25mph的风力发电机功率曲线。功率曲线反映了风力发电机的几个重要的信息。

另外，曲线反映的是任意给定风速下发电机的可利用输出功率。从曲线上可以得到，发电机启动截止速度、发电机额定功率、额定速度和截止速度。

这里启动截止速度指的是风速能够使风力机叶片转动并且产生可利用的输出时的最小速度。额定功率是指发电机所能输出的最大功率。

额定速度是指，使发电机能够产生额定功率的最小风速。截止速度是指，发电机所能承受的最大风速，超过这一风速时，为了保护发电机系统，风力机叶片弯曲回来或者是换到一个高螺距的状态下。 例12.6：

已知一个风力机的风力发电机的功率曲线如图12.10所示，它的额定功率是3kW/25mph。假设在8h的时间段内，风速有如下的平均速度：2h的6mph，3h的10mph，2h的15mph，1h的20mph。试求这8h内的输出电能。

解：

总能量是每段时间的能量之和：

在6mph时，因为此速度低于启动截止速度，所以此段时间输出电能为0；在10mph时，从功率曲线可得功率为0.35kWE=(0.35kW)(3h) =1.05kWh

在15mph时，从功率曲线可得功率为0.85kWE=(0.85kW)(2h) =1.7kWh

在20mph时，从功率曲线可得功率为1.65kWE=(1.65kW)(1h) =1.65kWh

因此，在8h内总的输出电能为：E01.051.71.65 =3.855kWh

12.13 效率和实现

一台风力机能将产出多少能量和以下因素有关：转子（叶片）扫过的面积，轮毂高度和风轮机可以将风的动能转化为电能的效率。还和平均风速以及安装风力机的频数分布有关。

风能功率和转子扫过的面积成正比，和风速的3次方成正比。在过去的几年中，转子扫

过的面积稳定增长，因此风力机的额定功率也在增长，这一变化反映在表12.3中。

表中的产量数据是基于一个地区平均风力资源得出的。从表中可以看出，从1980年开始，风力机的额定功率平均每4—5年翻一番。 表12.3

例12.7：

假设一台风力发电机的功率曲线如图12.10所示，风力机的叶片直径16ft。它的功率输出为60Hz的120V电压，试求该风能转化系统的效率，已知风速为20mph。 解：

建立输入功率方程，利用公式12.9b.Pin=0.678aA3 =0.678r23

=0.6780.00248229.43 =8314W

从图12.9中得到，在20mph下的输出功率为 Pout=1.65kW=1650W因此，该系统的效率为：

=

=

Pout

100Pin

1650W

100

8314W =19.84%

例12.8：

假设风力机有三片叶片，基本数据同例12.7，转速为100rpm。试求在20mph的风速下的叶片效率。 解：

V0风速 =201.47 =29.4ft/s

叶片顶端的圆周轨迹的周长为：

2r=2(8ft) =50.27ft叶片端速为：

tip=(50.27ft/rev)(100rev/min)(

=83.78ft/s

根据公式12.13b

1

)

60s/min

=

tip

V0

=

83.78ft/s

2.85

29.4ft/s

=2.85，根据图12.9，可以查到叶片效率约为13%。注意风能中可以被转子转化利用的

比例称为功率系数Cp。

例12.9：

假设一个风能转化系统如图12.5所示，利用三相六极异步发电机风力发电。线路的频率是60Hz，当地平均风速是12mph。风力机的叶片具有30mph的直径线速度并且在TSR为8.3时候达到最高效率。如果发电机的效率是负转差率的3.3%达到最大值。试求系统达到最高效率时的齿轮速比。 解：

首先，叶轮机叶片速度和电机转速必须求出来。然后求传送装置的齿轮速比来匹配这两速度。要求的电机转速是：

120f

ng=[1-（-s]

p

12060

=[1-(-0.033)]

6

=1239.6rev/min

根据公式12.10，风速的平均速度为：v0=1.47(12mph ) =17.64ft/s

根据公式12.13b,叶片端速度为：vtip=v0 =8.317.64 =146.412ft/s

叶片端圆周轨迹周长为：2（15ft）=94.248ft/rev因此，叶片端速度为：146.412ft/s

=1.5535rev/s

94.248ft/rev

转化为rev/min单位是：

(15535rev/s)(60s/min)=93.21rev/min.

因此，传送装置的齿轮速比为：齿轮速比=

1239.6rev/min

13.3

93.21rev/min

12.14 风力涡轮机的效率

为了计算风力涡轮机的效率，首先必须计算出构成该系统的各组成部分的效率。 12.14.1 电机效率

一个风力涡轮机不可能将风能全部利用。一个风流涡轮机可利用的功率用功率系数来表示即

Cp

。前面已经提到过功率系数的最大值是0.59（根据贝兹定律）。功率系数随着风速变

化而变化。对于大部分的风力涡轮机来说，在8—10m/s的风速下，最大功率系数在0.45至0.50之间。

为了将风能功率从旋转的转子的动能转化为电能，需要齿轮箱和发电机或者是直接驱动式涡轮机，通过发电机和一个换向器来实现。在这个转化过程中，一些功率将会流失。同时，独立元件的效率也会随着风速的不同而不同。

众所周知，一台发电机的效率在额定功率下运行时的效率最高。对于一个风力涡轮机来说，大部分时间内发电机是在标称负载下运行，也就是说，当风速低于标称功率时，发电机运行在低功率下。这样的结果就是，标准电机的效率也会下降，具体的值见表12.4.

发电机的物理大小（额定功率）和发电机的效率也存在着一定的关系。就是发电机的效率会随着发电机的容量增大而升高，因为大容量的电机的热损耗降低了。具体的值见表12.5.

举一个例子，一台1MW的风力涡轮机运行在标称功率的20%时（即运行在200kW），这台发电机具有的效率是0.95*0.90=85%。此外，发电机的效率、容量和标称负载也跟不同的生产厂商和不同电机模型而不同。 12.14.2 齿轮箱

一般典型情况下，一台现代的大功率的风力机的转子一般具有的转速是20—30rpm，当发电机的转速是1520rpm的时候。为了增大转速，齿轮箱就是必须的。如果，风力涡轮机的转速是30rpm，齿轮箱的齿轮转速比就要求是30:1520=1:50.7。也就是说，主轴1个齿轮必须增加到50.7个齿轮在第二个轴上，第二个轴就是连接到发电机上的轴。

一般来说，一个齿轮箱（变速箱）有好几个台阶。因为旋转速度是按照阶梯式增长的。每阶的损耗可以估计为1%。一台风力涡轮机一般用三阶齿轮箱，所以齿轮箱的效率约为97%。

但是，直接驱动式的涡轮机就不要任何齿轮箱（变速箱）。取而代之的是发电机的频率和电压会随着涡轮机叶片的角速度实时变化。 表12.4

表12.5

因此，电流必须要用整流器整流为直流，然后再用逆变器逆变到和电网相同频率和电压的交流电。这一系列的转化的效率也约为97%。 12.14.3 整体效率

总的来说，系统的整体效率total是风力涡轮机的功率效率Cp和齿轮箱（变速箱）的效率以及发电机的效率的共同产物。

total=Cpgeargenerator

经常给

Cp

取值为0.59，

rotor（r）用来表示理论上转子可以利用的能量的比例。比

如，如果功率系数

Cp=0.49

，风力机转子的利用比则为：

r=

0.49

=0.83 0.59

风力机的效率会随着风速的不用而不同。当风速低于标称风速时，风力发电机的效率会降低，相反的，如果风力机转子有额外的角速度时，TSR将会改变，也就是说，风力机所利用的风能是风能中更少的一部分，此时Cp会减小。

因为风力机是利用风能的动能转化为电能，就引进了另一个效率，Ce，这个效率表征的是在不同风速下，风力机将风能转化为电能的比例。例如，一台西门子的1300型风力机在风速为6—8m/s之间达到最高的能量转化效率，此时的Ce0.46。

12.15 其它定义效率的方法

为了估算系统的效率，下列因数也常常会用到：

每年产出功率

kWh/m2

转子扫过的有效面积

每年产出功率

有效功率/额定功率=kWh/kW

风力涡轮机额定功率有效功率/有效面积=

每年产出功率

容量因数=100%额定功率8760

每年产出功率

满载时间==100%

额定功率投资花费

$/kWh/年

每年产出功率

8760h—停用时间

有效时间=100%8760h成本效率=

有效时间是一个风力涡轮机的技术可靠性。如果涡轮机因为故障、停用日程安排和维修

等原因停止运转5天在一年当中，那么这台涡轮机的技术有效时间就是98.6%。（这样的计算中，一年通常按照360天计算。）

这就意味着，涡轮机有98.6%的时间是处于工作状态，前提是当地有足够的风力资源是涡轮机可以运转。风力涡轮机的技术寿命估计为20—25年。但是，她的经济寿命回避着短的多，因为维修费用会随着风力机的老化而逐年增加。

另外还有一个表征容量因数的方法。称为年度负载因数，定义为：

年度负载因数=（容量因数）8760%

这里的负载持续的意义是指在一年中，风力机可以被认为是在额定功率下虚拟运行的时

间。

一般来说，为了估算一个国家的风能资源总量，全国的风力机总功率是一个方法。每一

台风力涡轮机都有一个额定功率（最大功率），并且额定功率从区区几百瓦特到5000kW不等。所以风力涡轮机的数量并不能代表可以产出多少电能。

一台风力涡轮机究竟可以产出多少电能并不是只与它的额定功率有关，还和风力涡轮机所处的风力资源环境有关。为了能够得到一年中风力涡轮机在一定的额定功率下可以产出的的估计值，将用下面的定律：“1MW风能功率将输出2GWh*每年在陆地地区，3GWh每年在沿海地区。”

例12.10

现有一台4MW的风力涡轮机。该涡轮机在一年当中会有400h处于维修状态，一年按8760h计算。如果实际中，该风力涡轮机在一年中共输出8000MWh的电能。试求： （a） 风力涡轮机的有效时间因数

（b） 风力涡轮机的容量因数

（c） 风力涡轮机的年度负载因数

解：

（a）风力涡轮机的有效时间因数为：

8760h—停用时间有效时间=100%8760h 8760-400 =100%=95.43%8760

（b）风力涡轮机的容量因数为：

每年产出功率容量因数=100%额定功率8760

8000MWh =100%(2MW)8760

=45.66%

（c）风力涡轮机的年度负载因数为：

年度负载因数=（容量因数）8760%

=(0.4566)8760

=3999.8h

但是，风力涡轮机的容量因数是45.66%（0.4566）并不意味着风力涡轮机只是运行不到一半的时间。现实情况下，风力涡轮机一般会工作65%—90%的时间。并且大多数时间里涡轮机不会满容量运转，所以容量因数才会降低。

12.16 接入电网

“网”这一名词广义上讲是宽泛的表示网络的总体。比较特殊的，接入网络是指接入到网络中任意一部分。“国家电网”这一名词则是EHV输电网的简称。

集成组合特别的是指在系统在安全运行和电机可控条件下将发电机和电网的物理连接，并且使能源利用最理想。将发电机和和风力涡轮机的集成（或者是其他的可再生资源）和将化石燃料功率同发电机的连接的基本原理是相同的。但是，可再生资源是经常变化并且有地域相异的特点。将这个同网络的连接点称为公共耦合点。

风能可以根据风力涡轮机的功率和接入电网与否分为一下四类：小功率、不接入网，小功率、接入网，大功率、不接入网，大功率、接入网。小功率不接入网的风力涡轮机可以在

没有设备提供电源的地方。这可以用电池改善从而达到供需平衡。这样的花费将高达0.5$没千瓦时。小功率接入网的风力涡轮机则在经济上不可行。

经济可行性是可以改善的，如果当地的公共设备愿意提供净电量计费的管理方法话。在这样的系统中，计量器会反转在用户所消耗的电量小于发电机所输出的电量的时候。用户只需要为接入自己的电线支付月费即可。

一般来说，用户想要用批发价购买电同时又要以零售价出售电。所以会经常出现，用户用$0.08—$0.15/kWh买进电，而又以$0.02/kWh的价格出售电的现象。这与经济公平性运行风力涡轮机相差甚远。

风速是电价的主要决定因素，在影响能量输出方面，在风速为8m/s的地方发电是在风速为5m/s地方发出近似的电力成本的三分之一。风速近似为5m/s可以在远离海岸的地方很容易找到。7m/s的风速则要在海岸地区了。

大功率不接入电网的风力涡轮机安装在岛屿或者是当地不可能接入电网的村庄。在这些地方，一个或者多个风力涡轮机和柴油机发电机可以平行安装，这样风力涡轮机就扮演了节约能源的角色了在有风的时候。这样的系统很容易运行。一般来说，选用大功率还是小功率的风力涡轮机主要是判断它对于社会来说是否是低花费的，这其中包括风力发电的环境受益情况。现在主流常见的风力涡轮机的功率接近1MW或者更大功率。

然而，这样的功率对用户来讲仍然不够，所以出现了风力涡轮机群从而形成风力农场或者是风力发电厂是总功率达到10—1000MW，甚至是更大的功率。现阶段，南佛罗里达埃迪森公司（SCE）正在开发500kV哈查比山可再生传输网项目（TRTP）。【6】

计划实施TRTP项目的目的是为未来新水平的总功率超过700MW并且可能接近

4500MW的风力发电厂提供必要的电力设备。这一项目将在南佛罗里达的哈查比山的风力资源去实施。

风力涡轮机的电压一般是600V，通常称为工业电压。因此，这样的风力涡轮机可以直接和工厂连接供电，而不需要任何转换器。过去常见的达到300kW的小功率风力涡轮可以产生480V的电压，也可以通过输电电缆直接给农场和家庭供电。然而，一般是将风力涡轮机的480V到600V的电压通过变压器增加到更高的电压，一般是10或者20kV，然后输送到配电网中。

一台合适的变压器安装在小功率或者中等功率风力涡轮机的塔旁边地面上。但是对于大功率的风力涡轮机，变压器通常已经和风力涡轮机集成在一起了。

现代的风力涡轮机，输送到电网中功率可以利用电力电子设备在接入电网的点使相位和功率达到电网的需求，从而达到改善电网质量的目的。

但是，引入电力电子设备会造成一个最主要的问题是：谐波，它的频率是60Hz的几倍。谐波会对电网产生负面影响。这种“污点”在一定程度上可以被不同类型的滤波器“清理掉”，不幸的是，这样的设备是昂贵并且很少会顾及这些“污点”（即谐波）。

12.17 关于风能利用的更深入的几个问题

一般来说，将风能功率集成到电功率系统已经给风力发电系统的设计者和操作者提出了挑战。风力发电机在有风的时候就会工作运行，它们的功率水平随着风的强度变化而变化。因此，它们一般意义上是不可调节的。风是一种基础能源。风的主要功能是取代已有的利用化石燃料燃烧来驱动发电机组发电。

这些元件来保证系统的平衡和可靠，所以没有新的传统的发电原料像风力发电一样可以作为后备的资源。风同时也提供一些有效的运输负载能力所以才有助于实现计划储备而不是每天的运行储备。风的多变性和不确定性大大增加了系统在无风时的运行成本，但是一般来说，这部分是适量的。

最近，在美国的风能研究已经引入了复杂气流模型以发展可靠地风能发电系列为了更好地集成分析风力发电系统。如今，已经得出了当真实的数据不可以用的时候可以用此模型的同步加载数据来完成集成研究。【9】

根据斯密斯的研究【9】，在近些年的风力发电系统集成研究中已经得出了在风的多变性和不确定性对系统操作和操作成本的影响方面的重要结论。他们的结论包括以下内容：

1、 多份研究表明发电系统可以控制这些高渗入风能（达到25%的能量和35%的容量）而不

需要妥协的操作系统。

2、 风力资源的详细模型的重要性已经得到充分证实。

3、 有风和无风环境下的混合发电的灵活性的增加的重要性得到清晰的证实。

4、 高质量的风力预测在日程框架中对减少机组组合成本已经得到证实。

5、 在多变的风力环境下轻负载下如何保证系统的平衡的困难是一个严重的问题。

6、 尽管风是一种能源，但是它为计划储备的目的的确提供了适量的额外储存容量。

7、 在调节不同大区之间不同的负载、发电量和风力资源的平衡时共享是很大的一部分。 12.18 美国风能输电网的发展

在美国，已经建成的风电农场都在被认为是负荷中心偏远的地区。输电网的拥有者不能建设新的输电电压更高的输电网到这些偏远的地区，尽管这些地区有巨大的潜在的风能资源并且几乎不存在任何发电厂或者负荷。

同时，建设发电农场峰值功率的输电站是不经济的。但是，如果输电站的输电能力低于峰值功率的时候，输电网会出现拥挤当风能产出大于输电网输电能力时。也就是说，风能开发者开发者发现建设发电站还是经济的，尽管他们知道拥挤或发生或者持续一段时间。

当要建设新的输电网的时候，会出现强调的是解决高负载的瓶颈，主要是因为资金的限制。

同时，在过去，建设新的输电网必须要在证明了有建设的需求并且是系统稳定性的改进的前提下才可以。

考虑到以上这些问题，供电公司对于在那些没有能力建设发电厂的偏远地区建设风力发电农场，这些地区不仅存在这丰富的风力资源而且没有足够功率的输电网将发电厂输出输送到负载中心。这样就会造成，这个鸡和蛋的困境会阻碍了建设新的发电厂和输电网将电能输送到负载中心的发展。

然而，在加利福尼亚、德克萨斯州、科罗拉多州有了一定的进展。例如，在加利福尼亚州的哈查比山地区有建设7000MW发电站的潜力，但是由于没有资金来源建设必要的扩展容量为500kV的输电系统，这个机会一直处于拖延的状态。SCE在2007年从CALSIO（加利福尼亚独立系统操作者）得到了1.4亿美元的资金支持。一些输电网部分段已经正在建设中，其他的一些也正在审议中，这个项目计划在2013竣工。

12.19 能量储存

当发电功率超过输电网的输电能力或者输电拥挤发生的时候，储存电能可以将这些“丢失”保存起来并且在输电拥挤解除时再将这部分能量反充电给电网。利用储存能量的方法的主要目的是提高了风力发电农场的电力利用效率。

不受约束的风力发电农场的输出功率被认为是潜在容量因数。如果输电网是按照峰值功率建设的话，它就是全部的功率容量。然而，真是的容量因数定义为真实的容量由于输电网对电厂功率的限制。容量效率因数则被定义为成功储存的能量的容量。

如果没有储存能量容量的限制，容量效率因数将会等于发电农场的潜在的满容量因数。但是，其他因素比如成本和容量强迫风电开发者会在最大容量（无限制的，即满容量）和最

小容量（没有任何操作）之间寻求平衡。这样应用的经济效益是关于发电农场的持续时间，输电拥挤持续时间以及储存占电厂容量的比例的函数。

简单的来说，风不是持久性的资源。风速根据昼夜规律变化，也就是说，风是不会一整天持续的存在，但是在何时达到最大值，达到多大的值会在特别的典型的时间点，同样风的减小也是遵循同样的规律。在平原地区，风速会在午夜达到最大值。

在山区的话，风速会在凌晨或者傍晚达到最大并且在白天或者是午夜是最小的。沿海地区的风速则可靠多了，不过仍然会在一天中有规律的变化。

根据佛洛曼蒂的研究【3】，尽管新兴的储存技术有了很大的进展，兆瓦容量的储存有必要变化到更大容量的储存技术由于风力发电农场的潜在发电能力。

在这种应用中，现在基本上有两种技术有能力实现存储：抽水蓄能和压缩空气蓄能

（CAES）。当然还有其他的储能技术比如电池、飞轮、超大电容器和一定程度上的光生伏特。

大部分这些技术都能在功率增加应用的质量和可靠性方面很好的适用。考虑到它们的容量限制和能量密度的特点，甚至是一些大电池也会在峰值波动的时候被应用。

所有的储存技术都有电力转化接口并且可以用来同其他配电网提供无缝互接当功率质量是一项必要的要求的时候。

最早懂得应用抽水蓄能技术是1982年在瑞士的苏黎世。它的相对性、低效率和低成本一般都和它可以避开昂贵的用电高峰相抵消。当可以利用时，抽水蓄能可以很好地解决白天的问题，但是，限制性的选址可能性为新的抽水蓄能提出了问题。

另一个选择是CAES。在这样的系统中，超额的电能用来驱动流量计和压缩机将空气压缩进石灰岩山洞。当用电高峰需要的时候，压缩空气通过一个恢复发电机系统供电。产生的电能重新输送到电网中在用电高峰期。在过去的几年来，CAES系统被电力研究所（EPRI）开发。

然而，CAES系统并不是纯净的储能系统，因为一般的空气和压缩空气被用来驱动涡轮机来增加产出功率和提高全体效率。没有这部分压缩空气的注入，整体系统的效率将会下降到70%—80%。

CAES是一个高端空气涡轮机，因为它消耗一台集成循环的涡轮机40%的空气就可以产出相同的功率。

将压缩空气混合在一般的空气中来驱动涡轮机已经可以实现。不在用电高峰是的电价很低的时候，用压缩空气来蓄能，在用电高峰期利用储存的能量发电可以实现相对于传统的风力涡轮机发电很低的成本效果。

现在，EPRI已经利用先进的涡轮机技术在简单的系统基础上研发了更高级的CAES系统。它是为功率在150—400MW范围内的发电厂提供高达10h的地下蓄水池或者是1500lb/in2的压缩空气储能能力。

根据蓄水池的大小，多重的组合可以取缔。美国在建的最大的发电厂将会有最初的

800MW的额定功率。EPRI也正在研发地上的CAES系统，可以实现高压空气储存在一系列的大管道中。这些小功率的系统将为功率在15MW的发电系统提供2h的蓄能时间。当地下蓄能可以试想的时候，CAES系统有很大的发展潜力。第一个商业运行的CAES系统是1978年德国托夫市的容量为290MW的CAES系统。【3】

12.20 风能功率的预测

在处理平衡系统的供需的挑战中，风嫩功率的预测扮演着非常重要的角色，给出风力发电输出功率的不确定性。根据斯密斯的研究【9】，在一个风力发电系统中占很大一部分的集成组合的先决条件是风能预测。因为它和依靠天气产量的传统风力发电机在正常工作安排的

产量相关联，同时是电能需求量的预测，未来产量的合理精确地预测。

风能功率的预测的最基本的应用是减少平衡能量供需和能量存储功率的需要。而能量储存是必须的对于将风力发电系统集成到平衡供能系统和需求系统中去。（比如最优化生产规划）。

这就降低了集成所需的成本，降低了发电厂用来平衡供需和后来大功率的风能利用的热辐射。

风能功率预测的第二个应用是为电网运行和安全评估提供风能输入功率的预测值。因为风力发电农场一般要用输电网和偏远的地区相连供电。为了预估拥挤和损失由于高物理发热，电网运营商需要知道每个电网接入点的现在的和接下来的风能输入功率。

因此，随着风能功率容量的不断增加，预测的准确性就越来越重要了。尤其是对于那些大功率的海岸发电厂或者是内陆的风力发电农场，预测准确性的重要性由于在这些电厂供电的范围内有可能在很小的范围内就会由高强度的电功率。

幸运的是，在近几年，预测的准确性稳步的改善了，并且相信在未来将会更加准确。科学家们还发现如果很多发电厂都参与到预测中来，就可以降低预测的误差。预测范围越大预测的结果就越精确这是由于不同区域的预测误差可能相互消除。

现在，供电商了解到不仅仅是集成成本还有由于有争议的燃料和热量丧失产生的运营成本。从2006年起，风能集成利用已经发展到考虑高渗入和大范围的研究了，这就引起了对新的传输网需求的重视。根据Corbus 的研究【2】，这样区域性的研究非常接近的描述解决了额外的以下的一些问题：

1、 怎样比较当地的风力资源和需要更多传输网的高功率的发电厂？

2、 怎样减少由于地区区别而要集成电网的成本？（比如通过在很大的区域传送风能或者将

这些不同“抹平”）

3、 怎样比较内陆风资源和沿海的风资源？

4、 怎样平衡地域合作对风能利用系统集成的成本影响？

5、 需要多少新的传输网对于促进高渗入风能利用的需要？

6、 风能预测的规则和评价是什么？

7、 短期的间歇性规划休息扮演什么样的角色？

8、 将风能利用集成系统延伸到大范围的市场和区域的成本是什么？

9、 对于大功率的风力发电的发展还需要做哪些什么样的运营准备？

根据Ackermann的研究经历【9】，在全球范围内将大量的风能发电系统集成到供电系统没有出现由于风能发电直接或者间接引起的不可管理的运营问题。对于成功将高渗入水平的集成风能发电的主要因素有：

1、 必须要有很大的地理区域上的很好的市场机制——集合一定数量的平衡地区——这样

可以经济的方式实现对大部分资源的共享。这种情况同时保证不同的发电厂不同资产的聚集，这样就减少了功率输出的多样性。很好的市场机制同时提供了一定范围内组织时期（例如，日前市场、时前市场和实时市场）来适应预测的不确定性。在大范围的地理区域上建立这样的一种市场机制和为不同网络区域设计连接传输系统很相似。

2、 先进的风力预测系统依靠的是变化的天气输入，这些预测结果实时输入到发电系统是必

要的。

3、 评估风能对系统的供需平衡的安全性的影响需要新的仿真工具。

4、 考虑到系统的安全性的必要性，风能限制的权利必须要一致。

习题

12.1 一台风力涡轮机，在10m/s的风速中的标准大气压下工作的额定功率是100kW。如果

它的输出功率和空气密度成正比，那么它在气温是20C海拔为2000m高度处，10m/s的风速下的输出功率是多少？

12.2 考虑例12.4中，假设在a点处的平均风速是10mph，b点的平均风速是8mph。为了

得到2kW的功率，试求在风力涡轮机叶片的直径当风力涡轮机运转在：

（a）a点

（b）b点

12.3 现有一台叶片直径是10ft的风力涡轮机。假设此地的6小时内的风速是5mph，3h和

15mph，3h。试求这段时间内风力涡轮机输出的总能量。

12.4 如例12.10给出的风力涡轮机，额定功率是200MW，一年中有200h的维修时间，一年

按照8760h计算。如果它最终实际的产出是4000MWh，试求下列各量：

（a）有效时间因数

（b）容量因数

（c）年度负载因数

12.5 如例12.6，假设在8小时时段内，风具有如下的平均速度：2h的4mph，2h的12mph，

1h的17mph，3h的23mph。试求这8h内的输出能量。

12.6 假设一台风力发电机的功率曲线如图12.10所示，涡轮机的叶片直径是18ft。如果它的

输出是60Hz,120V的电流，试求在15mph的风速下的该发电系统的效率。

12.7 假设题12.6中的涡轮机是3叶片型的，现在替换为一个2叶片的，90rpm的转速。试

求在16mph的风速下的叶片端效率。

12.8 一个WECS系统用的是8极，60 Hz，三相同步发电机在同步转速下驱动。叶片直径是

8m并且在TSR=5时有最大效率。试求在6m/s的风速下传送齿轮速比在最大效率时。 12.9 假设一个风能转化系统利用三相六极异步发电机风力发电。线路的频率是60Hz，当地

平均风速是5m/s。风力机的叶片具有11m的直径并且在TSR为6时候达到最高效率。如果发电机的效率是负转差率的3.3%达到最大值。试求系统达到最高效率时的齿轮速比。 12.10 假设一个风能转化系统如图12.5所示，利用三相四极异步发电机风力发电。线路

的频率是60Hz，当地平均风速是15mph。风力机的叶片具有32ft的直径并且在TSR为6时候达到最高效率。如果发电机的效率是负转差率的3.3%达到最大值。试求系统达到最高效率时的齿轮速比。

或者

P0.678aA3 (12.9b)

式中a=0.0024lb s2/ft4，A的单位是，因为速度的常用单位是英里每小时，所以将利用下面的公式进行单位转换：

vft/s1.47mph (12.10)

下面给出对上述公式的改进形式来确定风能功率：

13PACp (12.11) a 2

式中Cp 是涡轮机功率系数，涡轮机功率系数表示的是涡轮机的风能转化效率。它给出了一种测量涡轮机转子所能利用的占大量能量比例的方法。涡轮机功率系数是转子设计和

TSR的函数。

TSR是涡轮机转子和风速的相对速度，并且有一个固定的最大值约为0.4。涡轮机叶片端速和风速的相对速度由下式给出：

=

r



(12.12)

式中：r是涡轮机叶片扫过圆周的半径（即涡轮机叶片半径）

是涡轮机叶片端速 是风速

图12.9给出了对应多种风能转化器的端速相对速度的曲线。

这里的TPR是涡轮机叶片端速的切线方向的速度tip和无扰风速v0的比值，记作。因此有：

=

叶片端速的切线速度

（ . ）

无扰风速

1213

=

tip

v0

（1213b.）

显然，给定风速和扫掠面积的风能功率由12.8或者是12.9b确定。但是，涡轮机并不

能将风能全部利用。理论上的风力涡轮机可利用的部分的最大值由贝兹系数来表征。

风能是运动的能量。为了获取风能，涡轮机叶片必须降低风速当风穿过叶片的时候。因此，当风穿过涡轮机后，风的速度（同时有风的动能）会小于原始的数值。

这里我们知道，风能所损失的动能就转化为涡轮机叶片的动能。如果，穿过涡轮机后，风速减少了原始风速的个最大值为：

贝兹系数=0.5926

（图12.9 TSR曲线对不同形式的涡轮机（功率系数是表征涡轮机所能利用的风能占原始原始风能的比例）理论上的最大值为16/27=0.5926。图表反映了在不同涡轮机下TSR和功率系数的变化关系：（a）风车，（b）现代三叶片涡轮机，（c）垂直达理厄型风力机，和（d）现

12

（即为原始风速的），涡轮机将获得理论上的最大转化效率。这33

代二叶片涡轮机。）

这就意味着风力机的输入功率最好为59%的由12.8或者是12.9b确定的风能功率。真正的叶片效率在一定意义上是小于贝兹系数的。它是如公式12.13所反映的叫做TPR的函数。

功率系数

Cp

是测量风力机所能利用风能的工具。理论上的最大值为

Cp =0.5926

。

图12.9反映的就是TSR和功率系数

Cp

的关系。

从图中可以看出风力机的功率系数在TSR最大值

optimal

。还可以看出风力机系统利用异

步发电机就是转矩变化独立于速度在1%到2%的范围内变化的异步发电机。

一般来说，风中蕴藏着巨大的能量。但是这些机械能转化为电能的效率很低。一个典型的风能转化系统的效率只有20%—30%。 例12.2

在风车的风力机下，风车的叶片半径为5米，风速为10m/s，试确定风能功率。 解：

风力机叶片扫掠的面积为：

Ar2 =(5m)2 78.54m2

因此，风能的功率为：1

aA321

=(1.24)(78.54)(10)3

2

48695WPP48695Cp =48695(0.20) 9.739W

这显然要远远小于风能原始功率。

如果风力机的功率系数为0.2时，转化为电能的功率为：

12.9 风能功率的影响因素

在任何的风能转化系统中，风力机所安装的塔的支持是必须要考虑的。当风吹过风力机时，就会给风力机叶片施加力。这个力由SI和英国系统确定，公式为：

Fw=0.44aA2 (12.14)

另外，风施加给安装风力机的塔的力

Ft

也必须考虑。这些力会引起塔基在顺时针方向

的力矩。这个力矩是风速、叶片大小和塔高的函数。

正是由于此，大功率的风力机安装在高塔上必须要塔支持。还有，大部分的风力机会有

自动停转的最大风速限制。未来的风力机会使叶片自动的和风向保持平行来避免任何可能的对风能转化系统的损害。

12.10 塔高对风能功率的影响

一般常识告诉我们，塔越高就会是风力机获得越大的风速。但是，地表的风也可以被不规则或者不平整的地表或者是已经存在的森林和邻近建筑物所影响。塔高和风速的关系由下式确定：

H= (12.15) 0H0

式中：

是H高度处的风速



0是已知的H0高度处的风速

是摩擦系数

在欧洲，这一关系表示为：

ln(H2)= (12.16) ln(H2)0 0

有很多因素可以影响风速。比如，海拔，周围的地形轮廓，高建筑物，以及树。不同塔

高的平均风速不同。如果平均风速在不同高度处是相同的，则低高度处的位置是好的选择，因为低高度意味着低成本。

更进一步的，海拔越高风速越大，这就为在高海拔处于利用小功率的短叶片风力机而不在低海拔处利用大功率长叶片的风力机产出相同功率提供可可能。

摩擦系数的值根据不同的粗糙度的地形而不同，具体的值见表12.2 表12.2

如果在开阔的平原地带在10m高度的平均风速是6m/s。试确定在50m高度处的风速。 解：

查表12.2可得，=0.15并且利用公式12.15，

H50==0H010

或者

0.15



0.15

v5050

=610

因此，在50m高度处的风速为：50v50=6

10

0.15

=7.6m/s

例12.4：

假设A点的平均风速是6m/s，B点的是7m/s。为了获得2kW的功率，试分别求满足条件的风力机叶片直径d在A点和B点运行时。解：

（a）利用公式1210.，给定的风速换算单位为：

=1.47vmph

=1.476

=8.82ft/s（A点处）和=1.47vmph =1.477

=10.29ft/s（B点处）根据公式12.9b，在

A点有：A =

P

0.678a3

2000W

0.6780.00248.823 1791.4ft3因为d2

A

4所以d

47.76ft(b)在B点有：A =

P0.678a3

2000W

0.6780.002410.293 1128.09ft3因此：d

37.9ft

因此，一个小功率的便宜的风力机在B点可以产出一个大功率的风力机在A点的功率。

12.11 风能测量装置

风能测量装置一般由一个风速计（测量风速）和一个风向标（测量风向）组成。从19世纪开始，在大多数国家，国家气象局会测量并统计风的各项数据。一整年当中气象局每天每隔数小时会记录风速、风向、气温、和其他的理论数据。这些数据每天会报告给中央气象局。

现在风的各项数据会自动记录。这些观测数据是构成风数据的基础，风数据用来描述不同的气象在不同的地区，也用来生成风图表集进而预测计算风力机的期望功率在不同地点。

然而，过去的天气观测员一昼夜每个4小时会读取风速计数据。观测员们会观察风速计数分钟，然后会记录这段时间内平均值。另外，风速会受到风速计的海拔位置、观测员读取风速计数据的人为误差、风速计的质量和精确度等因素的影响。

一个典型的风速计工作在直径上的气流。当风吹过时，风速计会以一定的速度旋转，速度和风速成比例。典型的风力机来说，一台永磁式直流发电机会和风力机旋转轴相连，这样就会产生一定的电压，这一电压和实时风速成比例。第二件所需的工具是风速记录仪。风速记录仪是一台和风速计相连并且实时记录风速的电子仪器。 例12.5

已知风力机的叶片半径为8ft，经测量得到此地的3h内的风速是3mph，再过3h的风速是12mph。试确定此段时间内，风力机发电的电能。解：

首先，电能必须每3h分开计算.在第一个3h内：平均风速是：

ft/s

)(3mph)=4.41ft/smph

avg=(1.47

利用公式12.9b,

P0.6780.0024314.164.413 43.84W上式中 A=(10ft)2 314.16ft2

所以有：E1(43.84W)(3h) =131.52Wh =0.13152kWh在第二个3h内：

ft/s

)(12mph)=17.64ft/smph

avg=(1.47

利用公式12.9b,

P0.6780.0024314.1617.643 =2806W

所以有：E2(2806W)(3h) =8.418kWh

因此，总能量为：E=E1+E2

=0.13152+8.418 8.56kWh

12.12 风力发电机的特性

风力发电机最重要的特性就是它的功率曲线。一般来说，该曲线是风力发电机生产商提供的。功率曲线反映的是近似的输出功率和风速的函数关系。图12.10是典型的额定功率为3kW/25mph的风力发电机功率曲线。功率曲线反映了风力发电机的几个重要的信息。

另外，曲线反映的是任意给定风速下发电机的可利用输出功率。从曲线上可以得到，发电机启动截止速度、发电机额定功率、额定速度和截止速度。

这里启动截止速度指的是风速能够使风力机叶片转动并且产生可利用的输出时的最小速度。额定功率是指发电机所能输出的最大功率。

额定速度是指，使发电机能够产生额定功率的最小风速。截止速度是指，发电机所能承受的最大风速，超过这一风速时，为了保护发电机系统，风力机叶片弯曲回来或者是换到一个高螺距的状态下。 例12.6：

已知一个风力机的风力发电机的功率曲线如图12.10所示，它的额定功率是3kW/25mph。假设在8h的时间段内，风速有如下的平均速度：2h的6mph，3h的10mph，2h的15mph，1h的20mph。试求这8h内的输出电能。

解：

总能量是每段时间的能量之和：

在6mph时，因为此速度低于启动截止速度，所以此段时间输出电能为0；在10mph时，从功率曲线可得功率为0.35kWE=(0.35kW)(3h) =1.05kWh

在15mph时，从功率曲线可得功率为0.85kWE=(0.85kW)(2h) =1.7kWh

在20mph时，从功率曲线可得功率为1.65kWE=(1.65kW)(1h) =1.65kWh

因此，在8h内总的输出电能为：E01.051.71.65 =3.855kWh

12.13 效率和实现

一台风力机能将产出多少能量和以下因素有关：转子（叶片）扫过的面积，轮毂高度和风轮机可以将风的动能转化为电能的效率。还和平均风速以及安装风力机的频数分布有关。

风能功率和转子扫过的面积成正比，和风速的3次方成正比。在过去的几年中，转子扫

过的面积稳定增长，因此风力机的额定功率也在增长，这一变化反映在表12.3中。

表中的产量数据是基于一个地区平均风力资源得出的。从表中可以看出，从1980年开始，风力机的额定功率平均每4—5年翻一番。 表12.3

例12.7：

假设一台风力发电机的功率曲线如图12.10所示，风力机的叶片直径16ft。它的功率输出为60Hz的120V电压，试求该风能转化系统的效率，已知风速为20mph。 解：

建立输入功率方程，利用公式12.9b.Pin=0.678aA3 =0.678r23

=0.6780.00248229.43 =8314W

从图12.9中得到，在20mph下的输出功率为 Pout=1.65kW=1650W因此，该系统的效率为：

=

=

Pout

100Pin

1650W

100

8314W =19.84%

例12.8：

假设风力机有三片叶片，基本数据同例12.7，转速为100rpm。试求在20mph的风速下的叶片效率。 解：

V0风速 =201.47 =29.4ft/s

叶片顶端的圆周轨迹的周长为：

2r=2(8ft) =50.27ft叶片端速为：

tip=(50.27ft/rev)(100rev/min)(

=83.78ft/s

根据公式12.13b

1

)

60s/min

=

tip

V0

=

83.78ft/s

2.85

29.4ft/s

=2.85，根据图12.9，可以查到叶片效率约为13%。注意风能中可以被转子转化利用的

比例称为功率系数Cp。

例12.9：

假设一个风能转化系统如图12.5所示，利用三相六极异步发电机风力发电。线路的频率是60Hz，当地平均风速是12mph。风力机的叶片具有30mph的直径线速度并且在TSR为8.3时候达到最高效率。如果发电机的效率是负转差率的3.3%达到最大值。试求系统达到最高效率时的齿轮速比。 解：

首先，叶轮机叶片速度和电机转速必须求出来。然后求传送装置的齿轮速比来匹配这两速度。要求的电机转速是：

120f

ng=[1-（-s]

p

12060

=[1-(-0.033)]

6

=1239.6rev/min

根据公式12.10，风速的平均速度为：v0=1.47(12mph ) =17.64ft/s

根据公式12.13b,叶片端速度为：vtip=v0 =8.317.64 =146.412ft/s

叶片端圆周轨迹周长为：2（15ft）=94.248ft/rev因此，叶片端速度为：146.412ft/s

=1.5535rev/s

94.248ft/rev

转化为rev/min单位是：

(15535rev/s)(60s/min)=93.21rev/min.

因此，传送装置的齿轮速比为：齿轮速比=

1239.6rev/min

13.3

93.21rev/min

12.14 风力涡轮机的效率

为了计算风力涡轮机的效率，首先必须计算出构成该系统的各组成部分的效率。 12.14.1 电机效率

一个风力涡轮机不可能将风能全部利用。一个风流涡轮机可利用的功率用功率系数来表示即

Cp

。前面已经提到过功率系数的最大值是0.59（根据贝兹定律）。功率系数随着风速变

化而变化。对于大部分的风力涡轮机来说，在8—10m/s的风速下，最大功率系数在0.45至0.50之间。

为了将风能功率从旋转的转子的动能转化为电能，需要齿轮箱和发电机或者是直接驱动式涡轮机，通过发电机和一个换向器来实现。在这个转化过程中，一些功率将会流失。同时，独立元件的效率也会随着风速的不同而不同。

众所周知，一台发电机的效率在额定功率下运行时的效率最高。对于一个风力涡轮机来说，大部分时间内发电机是在标称负载下运行，也就是说，当风速低于标称功率时，发电机运行在低功率下。这样的结果就是，标准电机的效率也会下降，具体的值见表12.4.

发电机的物理大小（额定功率）和发电机的效率也存在着一定的关系。就是发电机的效率会随着发电机的容量增大而升高，因为大容量的电机的热损耗降低了。具体的值见表12.5.

举一个例子，一台1MW的风力涡轮机运行在标称功率的20%时（即运行在200kW），这台发电机具有的效率是0.95*0.90=85%。此外，发电机的效率、容量和标称负载也跟不同的生产厂商和不同电机模型而不同。 12.14.2 齿轮箱

一般典型情况下，一台现代的大功率的风力机的转子一般具有的转速是20—30rpm，当发电机的转速是1520rpm的时候。为了增大转速，齿轮箱就是必须的。如果，风力涡轮机的转速是30rpm，齿轮箱的齿轮转速比就要求是30:1520=1:50.7。也就是说，主轴1个齿轮必须增加到50.7个齿轮在第二个轴上，第二个轴就是连接到发电机上的轴。

一般来说，一个齿轮箱（变速箱）有好几个台阶。因为旋转速度是按照阶梯式增长的。每阶的损耗可以估计为1%。一台风力涡轮机一般用三阶齿轮箱，所以齿轮箱的效率约为97%。

但是，直接驱动式的涡轮机就不要任何齿轮箱（变速箱）。取而代之的是发电机的频率和电压会随着涡轮机叶片的角速度实时变化。 表12.4

表12.5

因此，电流必须要用整流器整流为直流，然后再用逆变器逆变到和电网相同频率和电压的交流电。这一系列的转化的效率也约为97%。 12.14.3 整体效率

总的来说，系统的整体效率total是风力涡轮机的功率效率Cp和齿轮箱（变速箱）的效率以及发电机的效率的共同产物。

total=Cpgeargenerator

经常给

Cp

取值为0.59，

rotor（r）用来表示理论上转子可以利用的能量的比例。比

如，如果功率系数

Cp=0.49

，风力机转子的利用比则为：

r=

0.49

=0.83 0.59

风力机的效率会随着风速的不用而不同。当风速低于标称风速时，风力发电机的效率会降低，相反的，如果风力机转子有额外的角速度时，TSR将会改变，也就是说，风力机所利用的风能是风能中更少的一部分，此时Cp会减小。

因为风力机是利用风能的动能转化为电能，就引进了另一个效率，Ce，这个效率表征的是在不同风速下，风力机将风能转化为电能的比例。例如，一台西门子的1300型风力机在风速为6—8m/s之间达到最高的能量转化效率，此时的Ce0.46。

12.15 其它定义效率的方法

为了估算系统的效率，下列因数也常常会用到：

每年产出功率

kWh/m2

转子扫过的有效面积

每年产出功率

有效功率/额定功率=kWh/kW

风力涡轮机额定功率有效功率/有效面积=

每年产出功率

容量因数=100%额定功率8760

每年产出功率

满载时间==100%

额定功率投资花费

$/kWh/年

每年产出功率

8760h—停用时间

有效时间=100%8760h成本效率=

有效时间是一个风力涡轮机的技术可靠性。如果涡轮机因为故障、停用日程安排和维修

等原因停止运转5天在一年当中，那么这台涡轮机的技术有效时间就是98.6%。（这样的计算中，一年通常按照360天计算。）

这就意味着，涡轮机有98.6%的时间是处于工作状态，前提是当地有足够的风力资源是涡轮机可以运转。风力涡轮机的技术寿命估计为20—25年。但是，她的经济寿命回避着短的多，因为维修费用会随着风力机的老化而逐年增加。

另外还有一个表征容量因数的方法。称为年度负载因数，定义为：

年度负载因数=（容量因数）8760%

这里的负载持续的意义是指在一年中，风力机可以被认为是在额定功率下虚拟运行的时

间。

一般来说，为了估算一个国家的风能资源总量，全国的风力机总功率是一个方法。每一

台风力涡轮机都有一个额定功率（最大功率），并且额定功率从区区几百瓦特到5000kW不等。所以风力涡轮机的数量并不能代表可以产出多少电能。

一台风力涡轮机究竟可以产出多少电能并不是只与它的额定功率有关，还和风力涡轮机所处的风力资源环境有关。为了能够得到一年中风力涡轮机在一定的额定功率下可以产出的的估计值，将用下面的定律：“1MW风能功率将输出2GWh*每年在陆地地区，3GWh每年在沿海地区。”

例12.10

现有一台4MW的风力涡轮机。该涡轮机在一年当中会有400h处于维修状态，一年按8760h计算。如果实际中，该风力涡轮机在一年中共输出8000MWh的电能。试求： （a） 风力涡轮机的有效时间因数

（b） 风力涡轮机的容量因数

（c） 风力涡轮机的年度负载因数

解：

（a）风力涡轮机的有效时间因数为：

8760h—停用时间有效时间=100%8760h 8760-400 =100%=95.43%8760

（b）风力涡轮机的容量因数为：

每年产出功率容量因数=100%额定功率8760

8000MWh =100%(2MW)8760

=45.66%

（c）风力涡轮机的年度负载因数为：

年度负载因数=（容量因数）8760%

=(0.4566)8760

=3999.8h

但是，风力涡轮机的容量因数是45.66%（0.4566）并不意味着风力涡轮机只是运行不到一半的时间。现实情况下，风力涡轮机一般会工作65%—90%的时间。并且大多数时间里涡轮机不会满容量运转，所以容量因数才会降低。

12.16 接入电网

“网”这一名词广义上讲是宽泛的表示网络的总体。比较特殊的，接入网络是指接入到网络中任意一部分。“国家电网”这一名词则是EHV输电网的简称。

集成组合特别的是指在系统在安全运行和电机可控条件下将发电机和电网的物理连接，并且使能源利用最理想。将发电机和和风力涡轮机的集成（或者是其他的可再生资源）和将化石燃料功率同发电机的连接的基本原理是相同的。但是，可再生资源是经常变化并且有地域相异的特点。将这个同网络的连接点称为公共耦合点。

风能可以根据风力涡轮机的功率和接入电网与否分为一下四类：小功率、不接入网，小功率、接入网，大功率、不接入网，大功率、接入网。小功率不接入网的风力涡轮机可以在

没有设备提供电源的地方。这可以用电池改善从而达到供需平衡。这样的花费将高达0.5$没千瓦时。小功率接入网的风力涡轮机则在经济上不可行。

经济可行性是可以改善的，如果当地的公共设备愿意提供净电量计费的管理方法话。在这样的系统中，计量器会反转在用户所消耗的电量小于发电机所输出的电量的时候。用户只需要为接入自己的电线支付月费即可。

一般来说，用户想要用批发价购买电同时又要以零售价出售电。所以会经常出现，用户用$0.08—$0.15/kWh买进电，而又以$0.02/kWh的价格出售电的现象。这与经济公平性运行风力涡轮机相差甚远。

风速是电价的主要决定因素，在影响能量输出方面，在风速为8m/s的地方发电是在风速为5m/s地方发出近似的电力成本的三分之一。风速近似为5m/s可以在远离海岸的地方很容易找到。7m/s的风速则要在海岸地区了。

大功率不接入电网的风力涡轮机安装在岛屿或者是当地不可能接入电网的村庄。在这些地方，一个或者多个风力涡轮机和柴油机发电机可以平行安装，这样风力涡轮机就扮演了节约能源的角色了在有风的时候。这样的系统很容易运行。一般来说，选用大功率还是小功率的风力涡轮机主要是判断它对于社会来说是否是低花费的，这其中包括风力发电的环境受益情况。现在主流常见的风力涡轮机的功率接近1MW或者更大功率。

然而，这样的功率对用户来讲仍然不够，所以出现了风力涡轮机群从而形成风力农场或者是风力发电厂是总功率达到10—1000MW，甚至是更大的功率。现阶段，南佛罗里达埃迪森公司（SCE）正在开发500kV哈查比山可再生传输网项目（TRTP）。【6】

计划实施TRTP项目的目的是为未来新水平的总功率超过700MW并且可能接近

4500MW的风力发电厂提供必要的电力设备。这一项目将在南佛罗里达的哈查比山的风力资源去实施。

风力涡轮机的电压一般是600V，通常称为工业电压。因此，这样的风力涡轮机可以直接和工厂连接供电，而不需要任何转换器。过去常见的达到300kW的小功率风力涡轮可以产生480V的电压，也可以通过输电电缆直接给农场和家庭供电。然而，一般是将风力涡轮机的480V到600V的电压通过变压器增加到更高的电压，一般是10或者20kV，然后输送到配电网中。

一台合适的变压器安装在小功率或者中等功率风力涡轮机的塔旁边地面上。但是对于大功率的风力涡轮机，变压器通常已经和风力涡轮机集成在一起了。

现代的风力涡轮机，输送到电网中功率可以利用电力电子设备在接入电网的点使相位和功率达到电网的需求，从而达到改善电网质量的目的。

但是，引入电力电子设备会造成一个最主要的问题是：谐波，它的频率是60Hz的几倍。谐波会对电网产生负面影响。这种“污点”在一定程度上可以被不同类型的滤波器“清理掉”，不幸的是，这样的设备是昂贵并且很少会顾及这些“污点”（即谐波）。

12.17 关于风能利用的更深入的几个问题

一般来说，将风能功率集成到电功率系统已经给风力发电系统的设计者和操作者提出了挑战。风力发电机在有风的时候就会工作运行，它们的功率水平随着风的强度变化而变化。因此，它们一般意义上是不可调节的。风是一种基础能源。风的主要功能是取代已有的利用化石燃料燃烧来驱动发电机组发电。

这些元件来保证系统的平衡和可靠，所以没有新的传统的发电原料像风力发电一样可以作为后备的资源。风同时也提供一些有效的运输负载能力所以才有助于实现计划储备而不是每天的运行储备。风的多变性和不确定性大大增加了系统在无风时的运行成本，但是一般来说，这部分是适量的。

最近，在美国的风能研究已经引入了复杂气流模型以发展可靠地风能发电系列为了更好地集成分析风力发电系统。如今，已经得出了当真实的数据不可以用的时候可以用此模型的同步加载数据来完成集成研究。【9】

根据斯密斯的研究【9】，在近些年的风力发电系统集成研究中已经得出了在风的多变性和不确定性对系统操作和操作成本的影响方面的重要结论。他们的结论包括以下内容：

1、 多份研究表明发电系统可以控制这些高渗入风能（达到25%的能量和35%的容量）而不

需要妥协的操作系统。

2、 风力资源的详细模型的重要性已经得到充分证实。

3、 有风和无风环境下的混合发电的灵活性的增加的重要性得到清晰的证实。

4、 高质量的风力预测在日程框架中对减少机组组合成本已经得到证实。

5、 在多变的风力环境下轻负载下如何保证系统的平衡的困难是一个严重的问题。

6、 尽管风是一种能源，但是它为计划储备的目的的确提供了适量的额外储存容量。

7、 在调节不同大区之间不同的负载、发电量和风力资源的平衡时共享是很大的一部分。 12.18 美国风能输电网的发展

在美国，已经建成的风电农场都在被认为是负荷中心偏远的地区。输电网的拥有者不能建设新的输电电压更高的输电网到这些偏远的地区，尽管这些地区有巨大的潜在的风能资源并且几乎不存在任何发电厂或者负荷。

同时，建设发电农场峰值功率的输电站是不经济的。但是，如果输电站的输电能力低于峰值功率的时候，输电网会出现拥挤当风能产出大于输电网输电能力时。也就是说，风能开发者开发者发现建设发电站还是经济的，尽管他们知道拥挤或发生或者持续一段时间。

当要建设新的输电网的时候，会出现强调的是解决高负载的瓶颈，主要是因为资金的限制。

同时，在过去，建设新的输电网必须要在证明了有建设的需求并且是系统稳定性的改进的前提下才可以。

考虑到以上这些问题，供电公司对于在那些没有能力建设发电厂的偏远地区建设风力发电农场，这些地区不仅存在这丰富的风力资源而且没有足够功率的输电网将发电厂输出输送到负载中心。这样就会造成，这个鸡和蛋的困境会阻碍了建设新的发电厂和输电网将电能输送到负载中心的发展。

然而，在加利福尼亚、德克萨斯州、科罗拉多州有了一定的进展。例如，在加利福尼亚州的哈查比山地区有建设7000MW发电站的潜力，但是由于没有资金来源建设必要的扩展容量为500kV的输电系统，这个机会一直处于拖延的状态。SCE在2007年从CALSIO（加利福尼亚独立系统操作者）得到了1.4亿美元的资金支持。一些输电网部分段已经正在建设中，其他的一些也正在审议中，这个项目计划在2013竣工。

12.19 能量储存

当发电功率超过输电网的输电能力或者输电拥挤发生的时候，储存电能可以将这些“丢失”保存起来并且在输电拥挤解除时再将这部分能量反充电给电网。利用储存能量的方法的主要目的是提高了风力发电农场的电力利用效率。

不受约束的风力发电农场的输出功率被认为是潜在容量因数。如果输电网是按照峰值功率建设的话，它就是全部的功率容量。然而，真是的容量因数定义为真实的容量由于输电网对电厂功率的限制。容量效率因数则被定义为成功储存的能量的容量。

如果没有储存能量容量的限制，容量效率因数将会等于发电农场的潜在的满容量因数。但是，其他因素比如成本和容量强迫风电开发者会在最大容量（无限制的，即满容量）和最

小容量（没有任何操作）之间寻求平衡。这样应用的经济效益是关于发电农场的持续时间，输电拥挤持续时间以及储存占电厂容量的比例的函数。

简单的来说，风不是持久性的资源。风速根据昼夜规律变化，也就是说，风是不会一整天持续的存在，但是在何时达到最大值，达到多大的值会在特别的典型的时间点，同样风的减小也是遵循同样的规律。在平原地区，风速会在午夜达到最大值。

在山区的话，风速会在凌晨或者傍晚达到最大并且在白天或者是午夜是最小的。沿海地区的风速则可靠多了，不过仍然会在一天中有规律的变化。

根据佛洛曼蒂的研究【3】，尽管新兴的储存技术有了很大的进展，兆瓦容量的储存有必要变化到更大容量的储存技术由于风力发电农场的潜在发电能力。

在这种应用中，现在基本上有两种技术有能力实现存储：抽水蓄能和压缩空气蓄能

（CAES）。当然还有其他的储能技术比如电池、飞轮、超大电容器和一定程度上的光生伏特。

大部分这些技术都能在功率增加应用的质量和可靠性方面很好的适用。考虑到它们的容量限制和能量密度的特点，甚至是一些大电池也会在峰值波动的时候被应用。

所有的储存技术都有电力转化接口并且可以用来同其他配电网提供无缝互接当功率质量是一项必要的要求的时候。

最早懂得应用抽水蓄能技术是1982年在瑞士的苏黎世。它的相对性、低效率和低成本一般都和它可以避开昂贵的用电高峰相抵消。当可以利用时，抽水蓄能可以很好地解决白天的问题，但是，限制性的选址可能性为新的抽水蓄能提出了问题。

另一个选择是CAES。在这样的系统中，超额的电能用来驱动流量计和压缩机将空气压缩进石灰岩山洞。当用电高峰需要的时候，压缩空气通过一个恢复发电机系统供电。产生的电能重新输送到电网中在用电高峰期。在过去的几年来，CAES系统被电力研究所（EPRI）开发。

然而，CAES系统并不是纯净的储能系统，因为一般的空气和压缩空气被用来驱动涡轮机来增加产出功率和提高全体效率。没有这部分压缩空气的注入，整体系统的效率将会下降到70%—80%。

CAES是一个高端空气涡轮机，因为它消耗一台集成循环的涡轮机40%的空气就可以产出相同的功率。

将压缩空气混合在一般的空气中来驱动涡轮机已经可以实现。不在用电高峰是的电价很低的时候，用压缩空气来蓄能，在用电高峰期利用储存的能量发电可以实现相对于传统的风力涡轮机发电很低的成本效果。

现在，EPRI已经利用先进的涡轮机技术在简单的系统基础上研发了更高级的CAES系统。它是为功率在150—400MW范围内的发电厂提供高达10h的地下蓄水池或者是1500lb/in2的压缩空气储能能力。

根据蓄水池的大小，多重的组合可以取缔。美国在建的最大的发电厂将会有最初的

800MW的额定功率。EPRI也正在研发地上的CAES系统，可以实现高压空气储存在一系列的大管道中。这些小功率的系统将为功率在15MW的发电系统提供2h的蓄能时间。当地下蓄能可以试想的时候，CAES系统有很大的发展潜力。第一个商业运行的CAES系统是1978年德国托夫市的容量为290MW的CAES系统。【3】

12.20 风能功率的预测

在处理平衡系统的供需的挑战中，风嫩功率的预测扮演着非常重要的角色，给出风力发电输出功率的不确定性。根据斯密斯的研究【9】，在一个风力发电系统中占很大一部分的集成组合的先决条件是风能预测。因为它和依靠天气产量的传统风力发电机在正常工作安排的

产量相关联，同时是电能需求量的预测，未来产量的合理精确地预测。

风能功率的预测的最基本的应用是减少平衡能量供需和能量存储功率的需要。而能量储存是必须的对于将风力发电系统集成到平衡供能系统和需求系统中去。（比如最优化生产规划）。

这就降低了集成所需的成本，降低了发电厂用来平衡供需和后来大功率的风能利用的热辐射。

风能功率预测的第二个应用是为电网运行和安全评估提供风能输入功率的预测值。因为风力发电农场一般要用输电网和偏远的地区相连供电。为了预估拥挤和损失由于高物理发热，电网运营商需要知道每个电网接入点的现在的和接下来的风能输入功率。

因此，随着风能功率容量的不断增加，预测的准确性就越来越重要了。尤其是对于那些大功率的海岸发电厂或者是内陆的风力发电农场，预测准确性的重要性由于在这些电厂供电的范围内有可能在很小的范围内就会由高强度的电功率。

幸运的是，在近几年，预测的准确性稳步的改善了，并且相信在未来将会更加准确。科学家们还发现如果很多发电厂都参与到预测中来，就可以降低预测的误差。预测范围越大预测的结果就越精确这是由于不同区域的预测误差可能相互消除。

现在，供电商了解到不仅仅是集成成本还有由于有争议的燃料和热量丧失产生的运营成本。从2006年起，风能集成利用已经发展到考虑高渗入和大范围的研究了，这就引起了对新的传输网需求的重视。根据Corbus 的研究【2】，这样区域性的研究非常接近的描述解决了额外的以下的一些问题：

1、 怎样比较当地的风力资源和需要更多传输网的高功率的发电厂？

2、 怎样减少由于地区区别而要集成电网的成本？（比如通过在很大的区域传送风能或者将

这些不同“抹平”）

3、 怎样比较内陆风资源和沿海的风资源？

4、 怎样平衡地域合作对风能利用系统集成的成本影响？

5、 需要多少新的传输网对于促进高渗入风能利用的需要？

6、 风能预测的规则和评价是什么？

7、 短期的间歇性规划休息扮演什么样的角色？

8、 将风能利用集成系统延伸到大范围的市场和区域的成本是什么？

9、 对于大功率的风力发电的发展还需要做哪些什么样的运营准备？

根据Ackermann的研究经历【9】，在全球范围内将大量的风能发电系统集成到供电系统没有出现由于风能发电直接或者间接引起的不可管理的运营问题。对于成功将高渗入水平的集成风能发电的主要因素有：

1、 必须要有很大的地理区域上的很好的市场机制——集合一定数量的平衡地区——这样

可以经济的方式实现对大部分资源的共享。这种情况同时保证不同的发电厂不同资产的聚集，这样就减少了功率输出的多样性。很好的市场机制同时提供了一定范围内组织时期（例如，日前市场、时前市场和实时市场）来适应预测的不确定性。在大范围的地理区域上建立这样的一种市场机制和为不同网络区域设计连接传输系统很相似。

2、 先进的风力预测系统依靠的是变化的天气输入，这些预测结果实时输入到发电系统是必

要的。

3、 评估风能对系统的供需平衡的安全性的影响需要新的仿真工具。

4、 考虑到系统的安全性的必要性，风能限制的权利必须要一致。

习题

12.1 一台风力涡轮机，在10m/s的风速中的标准大气压下工作的额定功率是100kW。如果

它的输出功率和空气密度成正比，那么它在气温是20C海拔为2000m高度处，10m/s的风速下的输出功率是多少？

12.2 考虑例12.4中，假设在a点处的平均风速是10mph，b点的平均风速是8mph。为了

得到2kW的功率，试求在风力涡轮机叶片的直径当风力涡轮机运转在：

（a）a点

（b）b点

12.3 现有一台叶片直径是10ft的风力涡轮机。假设此地的6小时内的风速是5mph，3h和

15mph，3h。试求这段时间内风力涡轮机输出的总能量。

12.4 如例12.10给出的风力涡轮机，额定功率是200MW，一年中有200h的维修时间，一年

按照8760h计算。如果它最终实际的产出是4000MWh，试求下列各量：

（a）有效时间因数

（b）容量因数

（c）年度负载因数

12.5 如例12.6，假设在8小时时段内，风具有如下的平均速度：2h的4mph，2h的12mph，

1h的17mph，3h的23mph。试求这8h内的输出能量。

12.6 假设一台风力发电机的功率曲线如图12.10所示，涡轮机的叶片直径是18ft。如果它的

输出是60Hz,120V的电流，试求在15mph的风速下的该发电系统的效率。

12.7 假设题12.6中的涡轮机是3叶片型的，现在替换为一个2叶片的，90rpm的转速。试

求在16mph的风速下的叶片端效率。

12.8 一个WECS系统用的是8极，60 Hz，三相同步发电机在同步转速下驱动。叶片直径是

8m并且在TSR=5时有最大效率。试求在6m/s的风速下传送齿轮速比在最大效率时。 12.9 假设一个风能转化系统利用三相六极异步发电机风力发电。线路的频率是60Hz，当地

平均风速是5m/s。风力机的叶片具有11m的直径并且在TSR为6时候达到最高效率。如果发电机的效率是负转差率的3.3%达到最大值。试求系统达到最高效率时的齿轮速比。 12.10 假设一个风能转化系统如图12.5所示，利用三相四极异步发电机风力发电。线路

的频率是60Hz，当地平均风速是15mph。风力机的叶片具有32ft的直径并且在TSR为6时候达到最高效率。如果发电机的效率是负转差率的3.3%达到最大值。试求系统达到最高效率时的齿轮速比。