【分析】不同类型风电机组的效率对比（上）

　　理想风机三要素是？
　　引子1：爱丽丝漫游奇境记2
毛毛虫：爱情就像鬼一样，相信的人多，真正遇见的人少。
爱丽丝：可我们现在谈的是直驱风机啊。
毛毛虫：嗯，直驱就像鬼一样！相信的人多，真正明白的人有么？
从今天开始，文章内容不再轻松，涉及到概念和数据，虽然我尽量轻松写。
虽然难点，但是有助于各位专业能力的真正增长，OK，拿破仑先生说过：不会定量分析的工程师不是好工程师。
风机核心部件包括四样：叶片、齿轮箱、发电机、变频器。对于没有齿轮箱的直驱风机，核心部件只剩有三样。
首先来定义一个理想风机。简单来讲，理想风机三要素是发电量最大、可靠性最高、造价最低。核心可归结成一个指标度电成本最低。
先讨论发电量。
在额定风速上，风机通过变桨（有时辅以变速）来限制功率，此时不关心各核心部件效率。
条件1：分析只限定于额定风速以下这个条件，以下提到“所有风速范围”时，仅代表从切入风速到额定风速这么宽的风速范围内。
连载（文章为博客连载，故作者称连载）不关心如何设计叶片、发电机等以使效率最高，连载假设相同部件的生产厂家，做出的东西是一样的，比如南高齿的齿轮箱和重齿的齿轮箱是无差别的。
条件2：分析只限定于不同的风机结构发电效率的差别，比如直驱和双馈，而不是如何进行部件设计。
当叶片长度固定时，提高理想风机的四大核心部件效率，这是提高发电量的不二法门。
即，理想风机的高效率包括两部分：
1、叶片工作于高效。
所有风速范围内，始终工作于效率最高点。即叶片始终运行在Cpmax处，叶片的效率用Cp来表示，Cp的最大值用Cpmax表示。
2、传动链工作于高效。
所有风速范围内，传动链（含齿轮箱、发电机、变频器）的效率尽量高。
叶片的效率比较低，Cpmax大多在0.5以下【注1】，传动链效率都比较高，都是90%以上。所以整体而言，提高叶片的工作效率，对风机的发电量贡献最大。
但传动链的选择也至关重要，首先，不同的传动链决定风机的转速范围不一样，从而不同风速时叶片工作于不同的Cp；其次，不同的传动链确实效率不一样。
什么样的风机，叶片和传动链的工作效率最高呢？
注1：叶片的Cpmax虽偶有大于0.5的，但市场上单独买不到这种叶片。
理想风机——叶片运行效率始终最高，直驱的呢？
引子1：接近20年前，欧洲的一个老牌博士曾经首次在IEEE上证明过，相对于定速风机（那时还是定速风机的天下），变速风机的传动链虽然添加了变频器，增加了损耗，但因为增加了变速功能，提高了不同风速下叶片的CP，所以风机的发电量反而能上升。
为这个博士，我很愿意破例把一个引子增加一段：如果我来排全球风电科技名人榜的话，Who is who in windturbine，在我心目中，该博士能排入十大风电科技名人榜。
引子2：在Tony《风能技术》这本书中p307页，变速型风机分成两类：宽转速范围和窄转速范围的，并将直驱归为前者，双馈归为后者。
叶片效率有两重含义，
　　第一重含义是通过合理的叶型、材料设计等，使叶片的效率最佳，此为叶片设计效率，一旦设计好，其CPmax是固定的；
第二重含义是通过风机的传动链（机型）的选择、合理的控制，使得叶片在尽可能多的风速范围内保持高效，此为叶片的运行效率。
这里的文章都不讨论如何设计叶片，只讨论如何选择传动链和合理控制，即第二重含义的叶片运行效率。
翻开一本讲述叶片的书，痛苦的叶素、升阻比、最佳攻角、伯努利等概念，可能让你对叶片望而却步。
不要害怕，下面我尽量科普的解释叶片的发电量，完全不懂叶片理论怎能更深刻的理解风机？
请记住我会有定量分析，而不是定性，所以不可避免的公式是不可少。虽然每一个公式会杀死（吓跑）50%的读者，但这正是你深刻理解叶片的时候。