風(fēng)能與風(fēng)功率.docx

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(dòng)，它所具有的動(dòng)能 （1）設(shè)一個(gè)垂直于風(fēng)向的平面，面積為S，風(fēng)速與截風(fēng)面積單位時(shí)間通過(guò)該平面的空氣質(zhì)量m為 是空氣密度 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下=1.2928kg/m3 ，考慮到氣溫等因素本處計(jì)算取=1.2kg/m3 ，代入（1）式得到風(fēng)功率P： （2）可見(jiàn)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。 空氣在1秒時(shí)間里通過(guò)單位面積的動(dòng)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(shí)需要參考。風(fēng)壓以單位面積上的風(fēng)的動(dòng)壓來(lái)表示： （3）可見(jiàn)風(fēng)壓的增加是按風(fēng)速增加的二次方倍增加。 根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，把風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分為5級(jí)，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(gè)（本處設(shè)為13 m/s），我們?cè)僭黾油C(jī)風(fēng)速20 m/s和起動(dòng)風(fēng)速3 m/s共七個(gè)風(fēng)速來(lái)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： 風(fēng)速、風(fēng)功率、風(fēng)壓對(duì)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(guò)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(guò)平面S后并沒(méi)有消失還得流走，速度不可能為0，所以說(shuō)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(guò)風(fēng)輪掃掠面積時(shí)把一部分動(dòng)能傳給風(fēng)力機(jī)，把風(fēng)輪接受的風(fēng)的動(dòng)能與通過(guò)風(fēng)輪掃掠面積的全部風(fēng)的動(dòng)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(gè)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(dòng)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。在下表中列出了各種形式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的全效率： 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的全效率表風(fēng)力發(fā)電機(jī)的掃風(fēng)面積風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)掃過(guò)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，下圖是一個(gè)三葉片水平軸風(fēng)力機(jī)的掃掠面積示意圖。水平軸風(fēng)力機(jī)的掃風(fēng)面積下圖是一個(gè)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。 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(duì)低些，但必須用在高風(fēng)速環(huán)境，例如把一臺(tái)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(huì)下降80%；按風(fēng)速6m/s設(shè)計(jì)的風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪會(huì)很大，雖在6m/s時(shí)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(shí)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