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第二章 风力机的基础理论[3、4]第一节 风力机的能量转换过程一、风能的计算由流体力学可知，气流的动能为221mv E =（2-1） 式中 m ──气体的质量；v ──气体的速度。
设单位时间内气流流过截面积为S 的气体的体积为L ，则 L ＝S v如果以ρ表示空气密度，该体积的空气质量为 m=ρL=ρS v 这时气流所具有的动能为321Sv E ρ=（2-2） 上式即为风能的表达式。
在国际单位制中，ρ的单位是kg/m 3；L 的单位是m 3 ；v 的单位是m/s ；E 的单位是W 。
从风能公式可以看出，风能的大小与气流密度和通过的面积成正比，与气流速度的立方成正比。
其中ρ和v 随地理位置、海拔高度、地形等因素而变。
二、自由流场中的风轮风力机的第一个气动理论是由德国的Betz 于1926年建立的。
Betz 假定风轮是理想的，即它没有轮毂，具有无限多的叶片，气流通过风轮时没有阻力；此外，假定气流经过整个叶轮扫掠面时是均匀的；并且，气流通过风轮前后的速度为轴向方向。
现研究一理想 风轮在流动的大气中的情况（见图2-1），并规定：v 1──距离风力机一定距离的上游风速；v ──通过风轮时的实际风速； v 2──离风轮远处的下游风速。
设通过风轮的气流其上游截面为 S 1，下游截面为S 2。
由于风轮的机械能 图2-1叶轮的气流图量仅由空气的动能降低所致，因而 v 2必然低于 v 1，所以通过风轮的气流截面积从上游至下游是增加的，即S 2大于S 1。
如果假定空气是不可压缩的，由连续条件可得：S 1v 1＝S v ＝S 2v 2风作用在风轮上的力可由Euler 理论写出：F ＝ρS v （v 1－v 2） （2-3） 故风轮吸收的功率为)(212v v Sv Fv P -==ρ （2-4） 此功率是由动能转换而来的。
从上游至下游动能的变化为 )(212221v v Sv T-=∆ρ （2-5） 令式（2-4）与式（2-5）相等，得到 221v v v +=（2-6）作用在风轮上的力和提供的功率可写为：)(212221v v Sv F -=ρ （2-7） ))((41212221v v v v Sv P +-=ρ （2-8）对于给定的上游速度v 1，可写出以v 2为函数的功率变化关系，将式（2-8）微分得)32(412221212v v v v Sv dv dP --=ρ 式02=dv dP有两个解： v 2＝－v 1，没有物理意义； v 2＝v 1/3，对应于最大功率。
风能是我国目前开发利用比较成熟的一种新能源,风电事业正在我国蓬勃发展。
为了帮助读者了解风力发电知识,我们请长期从事风力发电研究工作的中国科学院电工研究所倪受元研究员撰写了《风力发电》讲座,以飨读者。
———编者风力发电讲座第二讲风力机的工作原理和气动力特性倪受元1空气动力学的基本知识111升力和阻力物体在空气中运动或者空气流过物体时,物体将受到空气的作用力,称为空气动力。
通常空气动力由两部分组成:一部分是由于气流绕物体流动时,在物体表面处的流动速度发生变化,引起气流压力的变化,即物体表面各处气流的速度与压力不同,从而对物体产生合成的压力;另一部分是由于气流绕物体流动时,在物体附面层内由于气流粘性作用产生的摩擦力。
将整个物体表面这些力合成起来便得到一个合力,这个合力即为空气动力。
风轮叶片是风力机最重要的部件之一。
它的平面形状与剖面几何形状和风力机空气动力特性密切相关,特别是剖面几何形状即翼型气动特性的好坏,将直接影响风力机的风能利用系数。
气流绕风轮叶片的流动比较复杂,是一个空间的三元流动。
当叶片长度与其翼型弦长之比(展弦比)较大时,可以忽略气流的展向流动,而把气流绕叶片的流动简化为绕许多段叶片元(即叶素)的流动,叶素之间互相没有干涉。
当每个叶素的展向长度趋向无穷小时,叶素就成了翼型,空气绕叶素的流动就成了绕翼型的流动,也就成了二元流动或平面流动。
图221示出空气流过一块平板的情形,平板面与气流方向形成一个夹角α,α称为攻角。
由于平板上方和下方的气流速度不同(上方速度大于下方速度),因此平板上、下方所受的压力也不同(下方压力大于上方压力),总的合力F即为平板在流动空气中所受到的空气动力,其方向垂直于板面。
此力可分解为两个分力:一个分力F y与气流方向垂直,它使平板上升,称为升力;另一个分力F x与气流方向相同,称为阻力。
升力和阻力与叶片在气流方向的投影面积S、空气密度ρ及气流速度V的平方成比例,可以下式表示:式中,c y称为升力系数;c x称为阻力系数;c r称为总的气动力系数。
1.1风力发电机的工作原理图1-1风力发电机应用实物图现代风力发电机采用空气动力学原理，就像飞机的机翼一样。
风并非"推 "动风轮叶片，而是吹过叶片形成叶片正反面的压差，这种压差会产生升力，令旋转并不断横切风流。
风力发机主要包含三部分∶风轮、机舱和塔杆。
风力发电机的风轮并不能提取风的有功率。
根据Betz，理论上风电机能够提取最大功，是风的功率的59.6%。
大多数风电机只能提取风的功率的40%或者更少。
1.2风的功率风的能指的是风的动能。
特定质量的空气的动能可以用下列公式计算。
能量=1/2X质量X( 速度 )^2吹过特定面积风的的功率以用下列公式计算。
功率=1/2X空气密度X面积X( 速度 )^3其中，功率单位为瓦特，空密单位为千克/立方米面积指气流横截面积，单位为平方米，速度单位米/秒。
1.3风力发电机的主要种类根据叶片固定轴的方位，风力发电机可以分为横轴和竖轴两类。
横轴式风电机在世逆风风电机是一种风轮面向来风的横轴式风电机。
大多数的风力发电机是逆风式的。
1.4风力发电机结构在现代600千瓦风力发电机上，转子转速相当慢，大约为19至30转每分钟。
在现代风力发电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。
偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。
偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。
通常，在风改变其方向时，风力发电机一次只会偏转几度电子控制器：液压系统：用冷却元件：包含一个风扇，用于冷却发电机。
塔：风力发电机塔载有机舱及转子。
通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。
现代600千瓦风汽轮机的塔高为40至60米。
它可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。
管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。
格状的塔的优点在于它比较便宜。
风速计及风向标用于测量风速及风向。
风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。
每一部分都很重要，各部分功能为，叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能，转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能，机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电。
