来确定。
4.3 风轮轴功率
风轮轴功率大小是评价风轮启动特性优劣的主要参数。它取决于风的能量和风轮的风能利用系数，即风轮的气动效率。
1、风的能量 单位体积的空气动能为1/2ρV2，因此单位面积的风能为 E/S =ρV3/2 式中 V——风速； ρ——空气密度； S——风轮扫掠面积
2、风能利用系数CP 风能利用系数是评定风轮气动特性优劣的主要参数。风的能量只有部分可被风轮吸收成为机械能，因此风能利用系数定义为 CP = PU/（1/2Ρv3S） PU = ΩM 式中 CP———风能利用系数； PU———风轮的轴功率； Ω——风轮转速 M——风轮扭矩
3、风力发电机组的输出功率与风速的大小、空气密度、风轮直径、风轮功率系数、传动效率和机械效率有关，其关系用计算公式表示为
P=
1??D2 v3 CP?t?g 8式中 P——风力发电机的输出功率，kW； ?——空气密度，kg/ m3 ; D——空气发电机风轮直径，m； v——场地风速，m/s；
CP——风轮的功率系数，一般在0.2~0.5之间，最大为0.593； ?t——风力发电机传动装置的机械功率； ?g——发电机的机械效率。
理论上，从风中含有的气流能量中最大可以获取59.3%。从风中获取的功率与风中包含的功率之间的比例关系值被称为贝茨功率系数(Cp, Betz)，是阿尔伯特·贝茨于1926年计算出来的。这一事实从现象和原理上都能够得到解释：如果从风的气流中获取能量，风速会减缓。但由于气体流量必须保持不变，在气流从各个方向涌来的风能设备上，风会扩散，因为在设备背后风速减慢的情况下，还是要有相同数量的空气流动。基于这个原因，通过风能设备不可能将风能全部转换为旋转能量。否则就意味着风能设备后面的空气静止不动，气流就会被阻挡住。
和所有的机器一样，这里也不可能达到理论上的最大值。好的风能设备会有0.4到0.5的功率系数。设备的空气动力效率可以通过机器的功率系数与贝茨功率系数之间的比例表示。
不同类型的风轮其风能利用系数是不同的，并网型风力发电机组的风能利用系数一般都在0.4以上。
4.4 利用风轮的空气动力特性进行功率调节
风力发电机组必须有一套控制系统用来限制功率和转速，使风力发电机组在大风或故障过载荷时得到保护。随着风力发电机组容量增大，相应的安全系统的费用提高，结构过载的范围也就越小。只有在这些保护功能的作用下，才能输出良好的电能，如避免功率波动以及产生与电网一致的频率。
当风速达到某一值时，风力发电机组达到额定功率。自然风的速度变化常会超过这一风速，在正常运行时，不是限制结构载荷的大小，而是发电机超载后过热的问题。风力发电机组制造商一般会给出发电机过载的能力。控制系统允许发电机短时过载，但绝不能长时间或经常过载。
由于风速和功率是三次方的关系，当风力发电机组达到额定点以后，必须有相应的功率调节措施，使机组的输出功率不再增加。
目前主要有两种调节功率的方法，都是采用空气动力方法进行调节的。一种是定桨距(失
速)调节方法；一种是变桨距调节方法。
(一) 失速控制
失速控制主要是通过确定叶片翼型的扭角分布，使风轮功率达到额定点后，减少升力提高阻力来实现的。
失速控制是一种很好的功率调节方法，因为它无需任何附加转动部件，叶片刚性固定在轮毂上，因此，其造价比较低。
在一般运行情况下，风轮上的动力来源于气流在翼型上流过产生的升力。由于风轮转速恒定，风速增加叶片上的迎角随之增加，但迎角大到一定程度（一般情况下迎角在15°～ 16°左右升力系数最大，超过15°～ 16°左右时升力下降，阻力上升）后阻力上升，直到最后气流在翼型上表面分离而产生脱落，这种现象称为失速，就像下图所示的那样。一旦迎角达到失速点，叶素将进入失速区，CL减小，CD增加，这两个变化导致扭矩减小，功率也跟着减小。但由于阻力项的增加，作用在机组上的力是增加的。
应注意的是失速不总是在同一迎角下，而与迎角变化有关(如阵风)，是一个动态变化过程。在失速与气流恢复到正常流动之间，有滞后现象存在，造成叶片受力变化很大，机组发生过发电现象。
失速型机组对安装角比较敏感，叶片的安装角要尽量达到最佳，以免影响机组额定出力。另外失速型机组受空气密度的影响也比较大，在高海拔地区有可能达不到其额定输出。
失速控制型机组的起动特性比较差，在风轮静止时，出现气流的扰动，那么起动力矩很小，主要是由于在叶片的表面上的流动气流变化而造成的。并网型失速控制机组一般在起动时，发电机作电动机来运行，这时从电网吸收的电能不多，风轮会很快加速到同步转速自动地由电动状态变为发电状态。
失速控制的一个难题是如果风力发电机组脱网，风轮将加速，在这种情况下，迎角将减小，叶片将脱离失速区，导致风轮上的扭矩增加，这将加剧风轮超速的程度，因此，相对定桨距风力发电机组来说，在设计失速型风力发电机组的刹车系统时，更应注意其安全性。
失速控制风力发电机组风轮气流特性图，如下图所示。
动态失速时气流连续变化图
与变桨距机组相比，当超过额定风速时，迎角进入失速区，气动阻力变得很大，轴向推力随着风速增加而增加；因此，失速型风轮产生的轴向推力，随着风速继续增加时推力会增加，而且当功率恒定或稍微下降时也会这样。这样失速控制型机组的各个部件与变桨距控制机组比所承受的载荷要大。
失速控制机组必须有可靠的刹车系统，以保证风轮能停下来，这样在刹车机构和风轮上的载荷都要比变桨距机组大得多。
功率的变化范围取决于何时开始失速。当气流速度变化越快时，瞬间迎角很大而很快叶片产生失速，部分的短时失速，当功率超过额定值时功率也有相应的变化。
叶片失速后，阵风对功率波动影响不大，因为失速时升力变化不大。这一范围内产生的功率波动变化不大，与变桨距机组一样，气流失速就像变桨距机组的功率调节。当风速变化时瞬时功率变化在失速时相对很小，而变桨距机组只有当变距速度很快时才能达到功率变化小的目的。失速控制型风轮的优缺点如下。
优点：
1) 叶片和轮毂之间无运动部件，轮毂结构简单，费用低； 2) 没有功率调节系统的维护费； 3) 在失速后功率的波动相对小。 缺点：
1) 气动刹车系统可靠性设计和制造要求高； 2) 叶片、机舱和塔架上的动态载荷高；
3) 由于常需要刹车过程，在叶片和传动系统中产生很高的机械载荷； 4) 起动性差；
5) 机组承受的风载荷大；
6) 在低空气密度地区难于达到额定功率。 (二) 变桨距控制
变桨距控制主要是通过改变翼型迎角变化，使翼型升力变化来进行调节的。变桨距控制多用于大型风力发电机组。
变桨距控制是通过叶片和轮毂之间的轴承机构转动叶片来减小迎角，由此来减小翼型的升力，以达到减小作用在风轮叶片上的扭矩和功率的目的。变桨调节时叶片迎角可相对气流连续的变化，以便得到风轮功率输出达到希望的范围。在90°迎角时是叶片的顺桨位置。在风力发电机组正常运行时，叶片向小迎角方向变化而限制功率。一般变距范围为90°~100°。从起动角度0°到顺桨，叶片就像飞机的垂直尾翼一样。
除此之外，还有一种方式，即主动失速又称负变距，就像失速一样进行调节。负变距范围一般在-5°左右；在额定功率点以前，叶片的桨距角是固定不变的，与定桨距风轮一样；在额定功率以后(即失速点以后)，由于叶片失速导致风轮功率下降，风轮输出功率低于额定功率，为了补偿这部分损失，适当调整叶片的桨距角，来提高风轮的功率输出。
变桨距叶片变距时气流变化过程和叶片角度变化示意图，如下图所示。
当达到最佳运行时，一般已达到额定功率，就不再变桨了。70%~80%的运行时间在零至额定功率之间这段范围内桨距处于非最佳状态，这样会产生很大的能量损失，而且确定最佳迎角由测量风速来决定，而风速测量往往不准确，反而产生负作用。由于阵风时，风轮叶片变桨反应滞后会产生能量损失，以至于最佳迎角在部分负载运行时，无法达到稳定的调节。
变桨矩叶片变矩时气流连续变化图
功率调节的好坏，与叶片变距速度有关。叶片变距速度应很快，以产生很小的风轮回转质量惯性力矩，且调节质量保持不变。变桨距控制风轮的优缺点如下。
优点： 1) 起动性好；