文档介绍：风力发电的基本原理
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 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。
风力发电基本理论知识
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 —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；
W
Cp—叶轮的风能利用系数；
—齿轮箱和传动系统的机械效率，一般为 — ，直驱式风力发电机 m
；
e—发电机效率，一般为 — ；
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，
2
；
m
V—风速， m/s。
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：
—风轮所能产生的最大功率； max
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，
2
；
m
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<。
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；
—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。
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 :
S
1
SC
3
P
P
2
D2
式中 : 4
S 为风轮的扫掠面积 ,D 增加 , 则其扫掠面积与 D2 成比例增加，其获取的
风功率也相应增加。
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。
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。
采用不同的叶片数，对风电机组的气动