風(fēng)能與風(fēng)功率

????風(fēng)功率與風(fēng)壓

一團(tuán)質(zhì)量為m的空氣以速度v運(yùn)動，它所具有的動能

設(shè)一個垂直于風(fēng)向的平面，面積為S，見圖1

圖1? 風(fēng)速與截風(fēng)面積

單位時間通過該平面的空氣質(zhì)量m為

ρ是空氣密度?? 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下ρ=1.2928kg/m3 ?，考慮到氣溫等因素本處計(jì)算取ρ=1.2kg/m3 ，代入（1）式得到風(fēng)功率P：

可見同樣面積下風(fēng)功率的增加是按風(fēng)速增加的三次方倍增加，例如，對于1平方米風(fēng)速為5米時的風(fēng)功率為75W，當(dāng)風(fēng)速為10米時的風(fēng)功率為600W。 ???

空氣在1秒時間里通過單位面積的動能也稱為“風(fēng)能密度”，在此風(fēng)能密度

“風(fēng)壓”就是垂直于氣流方向的平面所受到的風(fēng)的壓力，在計(jì)算風(fēng)力機(jī)載荷時需要參考。風(fēng)壓以單位面積上的風(fēng)的動壓來表示：

可見風(fēng)壓的增加是按風(fēng)速增加的二次方倍增加。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，把風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分為5級，按年平均風(fēng)速10 m/s、8.5 m/s、7.5 m/s、6 m/s四種風(fēng)速和特殊設(shè)計(jì)風(fēng)速一個（本處設(shè)為13 m/s），我們再增加停機(jī)風(fēng)速20 m/s和起動風(fēng)速3 m/s共七個風(fēng)速來計(jì)算單位面積（每平方米）的風(fēng)功率與風(fēng)壓，計(jì)算所得數(shù)據(jù)填于下表：

表1? 風(fēng)速、風(fēng)功率、風(fēng)壓對照表

????風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率

上表的風(fēng)功率是速度為v的空氣經(jīng)過平面S后速度減為0所產(chǎn)生的功率，這是理想的情況，事實(shí)上空氣經(jīng)過平面S后并沒有消失還得流走，速度不可能為0，所以說風(fēng)只可能把一部分能量傳給平面S。

在風(fēng)力機(jī)中風(fēng)通過風(fēng)輪掃掠面積時把一部分動能傳給風(fēng)力機(jī)，把風(fēng)輪接受的風(fēng)的動能與通過風(fēng)輪掃掠面積的全部風(fēng)的動能的比值稱為風(fēng)能利用系數(shù)，根據(jù)貝茨理論，風(fēng)力機(jī)的最大風(fēng)能利用系數(shù)是59%，風(fēng)能利用系數(shù)是衡量風(fēng)力機(jī)性能的主要指標(biāo)。

而實(shí)際的風(fēng)力機(jī)是達(dá)不到這個理想數(shù)據(jù)的，各種形式的風(fēng)輪接受風(fēng)力的風(fēng)能利用系數(shù)是不同的，阻力型風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)較低，升力型風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)較高。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組除了風(fēng)輪的風(fēng)能利用系數(shù)外，還有機(jī)械傳動系統(tǒng)效率、發(fā)電機(jī)效率等，這些效率的乘積就是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的全效率。在表2中列出了各種形式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的全效率：

表2? 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的全效率表

風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)掃過的面積在垂直于風(fēng)向的投影面積是風(fēng)力機(jī)截留風(fēng)能的面積，稱為風(fēng)力機(jī)的掃掠面積，圖2是一個三葉片水平軸風(fēng)力機(jī)的掃掠面積示意圖。

圖2? 水平軸風(fēng)力機(jī)的掃風(fēng)面積

圖3是一個四葉片的H型升力垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的掃掠面積示意圖。

圖3? 垂直軸風(fēng)力機(jī)的掃風(fēng)面積

?根據(jù)前面兩表可由所需發(fā)電功率估算出風(fēng)力機(jī)所需的掃風(fēng)面積，例如200W的升力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作風(fēng)速為6m/s，全效率按25%計(jì)算所需掃風(fēng)面積約為6.2m2,如果工作風(fēng)速為10m/s則所需掃風(fēng)面積約為1.4m2即可；例如10kW的升力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作風(fēng)速為10m/s，全效率按30%計(jì)算所需掃風(fēng)面積約為56m2,如果工作風(fēng)速為13m/s則所需掃風(fēng)面積約為25m2即可。按高風(fēng)速設(shè)計(jì)的風(fēng)力機(jī)體積小成本相對低些，但必須用在高風(fēng)速環(huán)境，例如把一臺設(shè)計(jì)風(fēng)速為10m/s的風(fēng)力機(jī)放在風(fēng)速為6m/s的環(huán)境工作，其功率會下降80%；按風(fēng)速6m/s設(shè)計(jì)的風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪會很大，雖在6m/s時運(yùn)行很好，但遇大風(fēng)易超速損壞電機(jī)，為抗強(qiáng)風(fēng)時需增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度使成本大大增加。

風(fēng)力機(jī)的工作風(fēng)速范圍選擇要適當(dāng)，既要在較寬的風(fēng)速范圍內(nèi)高效安全的發(fā)電又要有足夠的抗強(qiáng)風(fēng)能力，首先要確定風(fēng)力機(jī)的額定風(fēng)速，在“風(fēng)輪尺寸與額定風(fēng)速”一節(jié)中將討論如何確定額定風(fēng)速。