风力发电的基本原理1 引言风是最常见的自然现象之一，是太阳对地球表面不均衡加热而引起的“空气流动”，流动空气具有的动能称之为风能。

因此，风能是一种广义的太阳能。

据世界气象组织（WMO）和中国气象局气象科学研究院分析，地球上可利用的风能资源为200亿kW，是地球上可利用水能的20倍。

中国陆地10m高度层可利用的风能为2.53亿kW，海上可利用的风能是陆地上的3倍，50m高度层可利用的风能是10m高度层的2倍，风能资源非常丰富。

2 风力发电基本理论知识2.1 风能的计算公式空气运动具有动能。

风能是指风所具有的动能。

如果风力发电机叶轮的断面积为A，则当风速为V的风流经叶轮时，单位时间风传递给叶轮的风能为其中：单位时间质量流量m=ρAV在实际中，式中：P W—每秒空气流过风力发电机叶轮断面面积的风能，即风能功率，W；C p—叶轮的风能利用系数；m—齿轮箱和传动系统的机械效率，一般为0.80—0.95，直驱式风力发电机为1.0；e—发电机效率，一般为0.70—0.98；ρ—空气密度，kg/m3；A—风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积，m2；V—风速，m/s。

2.2 贝茨（Betz）理论第一个关于风轮的完整理论是由德国哥廷根研究所的A·贝茨于1926年建立的。

贝茨假定风轮是理想的，也就是说没有轮毂，而叶片数是无穷多，并且对通过风轮的气流没有阻力。

因此这是一个纯粹的能量转换器。

此外还进一步假设气流在整个风轮扫掠面上的气流是均匀的，气流速度的方向无论在风轮前后还是通过时都是沿着风轮轴线的。

通过分析一个放置在移动空气中的“理想”风轮得出风轮所能产生的最大功率为式中：P max—风轮所能产生的最大功率；ρ—空气密度，kg/m3；A—风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积，m2；V—风速，m/s。

这个表达式称为贝茨公式。

其假定条件是风速与风轮轴方向一致并在整个风轮扫掠面上是均匀的。

将式除以气流通过扫掠面A时风所具有的动能，可推得风力机的理论最大效率式即为有名的贝兹（Betz）理论的极限值。

它说明，风力机从自然风中所能索取的能量是有限的，其功率损失部分可以解释为留在尾流中的旋转动能。

能量的转换将导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电机的型式而异，因此，风力机的实际风能利用系数Cp<0.593。

2.3 温度、大气压力和空气密度通过温度计和气压计测试出实验地点的环境温度和大气压，由下式计算出空气密度。

式中：ρ—空气密度，kg/m3；h—当地大气压力，Pa；t —温度，℃。

从空气密度公式可以看出，空气密度的大小与大气压力、温度有关。

2.4 风轮直径与扫掠面积风轮直径是风轮旋转时的外圆直径，用D 表示。

风轮直径大小决定了风轮扫掠面积的大小以及叶片的长度，是影响机组容量大小和机组性价比的主要因素之一。

根据贝茨理论，风轮从自然风中获取的功率为:312P P SC ρυ=式中: 24D S π=S 为风轮的扫掠面积,D 增加,则其扫掠面积与D 2成比例增加，其获取的风功率也相应增加。

2.5 轮毂高度风轮高度是指风轮轮毂中心离地面的高度，是风电机组设计时要考虑的一个重要参数。

由于风剪切特性，离地面越高，风速越大，具有的风能也越大，因此大型风电机组的发展趋势是轮毂高度越来越高。

但是轮毂高度增加，所需要的塔架高度也相应增加，当塔架高度达到一定水平时，设计、制造、运输和安装等方面都将产生新的问题，也导致风电机组成本相应增加。

2.6 叶片数组成风轮的叶片个数，用B 表示。

选择风轮叶片数时要考虑风电机组的性能和载荷、风轮和传动系统的成本、风力机气动噪声及景观效果等因素。

图 2.6.1采用不同的叶片数，对风电机组的气动性能和结构设计都将产生不同的影响。

风轮的风能转换效率取决于风轮的功率系数图 2.6.2多叶片风车的最佳叶尖速比较低，风轮转速可以很慢，因此也称为慢速风轮。

当然多叶片风轮由于功率系数很低，因而很少用于现代风电机组。

现代水平轴风电机组风轮的功率系数比垂直轴风轮高，其中三叶片风轮的功率系数最高，其最大功率系数约为0.47，对应叶尖速比约为7；双叶片和单叶片风轮的风能转换效率略低，其最大功率系数对应的叶尖速比也高于三叶片风轮，即在相同风速条件下，叶片数越少，风轮最佳转速越高，因此有时也将单叶片和双叶片风轮称为高速风轮。

风轮的作用是将风能转换成推动风轮旋转的机械转矩。

衡量风轮转矩性能重要参数：转矩系数：功率系数除以叶尖速比。

转矩系数决定了传动系统中主轴及齿轮箱的设计。

现代并网风电机组希望转矩系数小，以降低传动系统的设计费用。

图 2.6.3叶片数越多，最大转矩系数值也越大，对应的叶尖速比也越小，表明起动转矩越大。

三叶片风轮的性能比较好，目前，水平轴风电机组一般采用两叶片或三叶片风轮，其中以三叶片风轮为主。

我国安装投运的大型并网风电机组几乎全部采用三叶片风轮。

叶片数量减少，将使风轮制造成本降低，但也会带来很多不利的因素，在选择风轮叶片数时要综合考虑。

两叶片风轮上的脉动载荷大于三叶片风轮。

另外，由于两叶片风轮转速高，在旋转时将产生较大的空气动力噪声，对环境产生不利影响，而且风轮转速快视觉效果也不好。

风轮实度：风轮叶片总面积与风轮扫掠面积的比值，常用于反映风轮的风能转换性能。

风轮的叶片数多，风轮的实度大，功率系数比较大，但功率曲线较窄，对叶尖速比的变化敏感。

叶片数减小，风轮实度下降，其最大功率系数相应降低，但功率曲线也越平坦，对叶尖速比变化越不敏感。

2.7 风轮转速、叶尖速比叶尖速比为风轮叶片尖端线速度与风速之比，是描述风电机组风轮特性的一个重要的无量纲量。

r w Rλυ∞=对于特定的风轮形式，其功率系数与叶尖速比的关系曲线确定，形状如同一个山包。

在某一叶尖速比值处，功率系数达到最大值，此时，风轮吸收的风能最多，对应的叶尖速比值称为最佳叶尖速比。

风电机组风轮的一个主要设计目标是尽可能多地吸收风能，因此在低于额定风速的区域，希望使风轮尽可能工作在最大功率系数附近，即风轮转速与风速的比值尽可能保持在最佳叶尖速比附近。

由于风速是连续不断变化的，因此需要对风轮的转速进行控制，使之与风速变化匹配。

风轮锥角和风轮仰角风轮锥角:叶片与风轮旋转轴相垂直的平面的夹角。

风轮仰角：风轮主轴与水平面的夹角。

由于叶片为细长柔性体结构，在其旋转过程中，受风载荷和离心载荷的作用，叶片将发生弯曲变形，风轮锥角和仰角的主要作用是防止叶片在发生弯曲变形状态下，其叶尖部分与塔架发生碰撞。

图 2.7.1偏航角：通过风轮主轴的铅垂面与风速在水平面上的分量的夹角。

风电机组在运行过程中，根据测量的风速方向，通过偏航系统对风轮的方向进行调整，使其始终保持正面迎向来风方向，以获得最大风能吸收率。

风电机组的基本性能主要指其吸收和转化风能的性能，即风轮的气动性能。

功率特性是反映风电机组基本性能的重要指标，用风电机组输出功率随风速的变化曲线来表示。

功率曲线直接影响风电机组的年发电量。

图 2.7.2不同风速对应的理论风功率曲线、根据贝茨理论计算的理想风轮吸收风功率曲线以及风力发电机组的实际功率曲线。

其中理论风功率与风速的三次方成正比，而根据贝茨定理，理想风轮只能吸收部分风功率（极限状态下，只能吸收理论风功率的0.59倍），实际风电机组的风轮不满足理想风轮条件，并且存在各种损失，其风能吸收数量低于贝茨极限。

风电机组的发展过程，一直追求使机组的风能利用系数接近贝茨极限。

2.8 风资源概述（1）风的起源风的形成乃是空气流动的结果。

风就是水平运动的空气，空气运动主要是由于地球上各纬度所接受的太阳辐射强度不同而形成的。

大气的流动也像水流一样，是从压力高处往压力低处流，太阳能正是形成大气压差的原因。

由于地球自转轴与围绕太阳的公转轴之间存在66．5°的夹角，因此对地球上不同地点太阳照射角度是不同的，而且对同一地点一年中这个角度也是变化的。

地球上某处所接受的太阳辐射能与该地点太阳照射角的正弦成正比。

（2）风能的基本情况1风能的特点风能的特点主要有：能量密度低、不稳定性、分布不均匀、可再生、须在有风地带、无污染、分布广泛、可分散利用、另外不须能源运输、可和其它能源相互转换等。

2 随机性速度大小和方向随时间不断变化，能量和功率随之发生改变。

可能是短时间波动，或昼夜变化，或季节变化。

3 风速随高度的增加而变化地面上风速较低的原因是由于地表植物、建筑物以及其他障碍物的磨擦所造成的。

风速沿高度的相对增加量因地而异，可表示为：00()n V H V H =，2000.04ln 0.003(ln )0.24n z z =++ 空气运动产生的动能称为“风能”。

223111222E mV AVtV AtV ρρ===单位时间内垂直流过截面A 的空气拥有的做功能力，称为风能功率(W)312W AV ρ=风能功率与风速的立方成正比，与流动空气密度和垂直流过的投影面积成正比。

2.9 风能密度图 2.9.1风能密度是决定风能潜力大小的重要因素。

风能密度和空气的密度有直接关系，而空气的密度则取决于气压和温度。

因此，不同地方、不同条件的风能密度是不同的。

一般说，海边地势低，气压高，空气密度大，风能密度也就高。

在这种情况下，若有适当的风速，风能潜力自然大。

高山气压低，空气稀薄，风能密度就小些。

但是如果高山风速大，气温低，仍然会有相当的风能潜力。

所以说，风能密度大，风速又大，则风能潜力最好。

风能密度是估计风能潜力大小的一个重要指标。

定义：单位时间内通过单位截面积的风能。

ρ值的大小随气压、气温和湿度等大气条件的变化而变化。

在海拔高度500m 以下，ρ取1.225kg/m3，若海拔超过500m ，必须考虑空气密度的变化。

0.0001231.225(/)h h kg m ρ-= 一般风速是用平均值表示的，平均风能密度可采用直接计算和概率计算两种方法求得，各气象台站都有详细的数据记录资料。

平均风能密度：一定时间周期（如一年或一月）内风能密度的平均值。

3011d 2TV t T ωρ=⎰可直接利用观测资料计算平均风能密度。

根据平均风能密度计算公式，先计算每个小时的风能密度，然后再求和，并按全年小时数平均，就可得到年平均风能密度。

31112n i i i Vt T ωρ==∑2.9.1有效风能密度：实际上，风能不可能全部转换成机械能，风力机不能获得全部理论上的能量。

当风速由0逐渐增加达到某一风速Vm （切入风速）时，风力机才开始提供功率。

该风速下，风轮轴上的功率等于整机空载时自身消耗的功率，风力机还不能对用户输出功。

风速继续增加，达到某一确定值VN(额定风速)，在该风速下风力机提供额定功率或正常功率。

超过该值时，利用调节系统，输出功率将保持常数。

如果风速继续再增加到某一值VM(切断风速)时，出于安全考虑，风力机应停止运转，风力机不输出功率 。