betz定律

风轮效率的极限是由德国物理学家阿尔伯特·贝茨（Albert Betz）在1919年提出的，这一定理后来被称为贝茨定律（Betz's Law）。根据贝茨定律，在理想条件下，风力涡轮机从风中提取能量的最大效率约为59.3%。这个效率上限是基于以下假设：

1. 风是不可压缩的理想流体。

2. 风力涡轮机的叶片形状和角度是最优的，以确保能量的最大化提取。

3. 涡轮机后方没有湍流，所有通过涡轮机的空气都以相同的速率离开。

4. 涡轮机的运行不会对风速或风向产生显著影响。

实际应用中，由于各种实际因素的限制，如叶片的摩擦损失、湍流、涡流损失、机械结构的限制以及其他效率损失，真实的风力涡轮机效率通常低于贝茨极限。现代的风力涡轮机效率一般在40%到50%之间，这已经非常接近贝茨定律所定义的理论极限。不断的技术创新和优化设计正在推动效率的提升，但仍然受到贝茨极限的约束。

风力发电与偏航变桨介绍

摘要：本文主要介绍了风力发电机及其偏航变桨系统的结构和工作原理。偏航系统驱动风机对准风向，变桨系统调整桨距角适应相对风速，在保护风机的同时，提高风能利用率。

关键词：风力发电机；风机；偏航系统；变桨系统

风力发电机——顾名思义，就是用风力发电的设备。它首先将风能转化成机械能，再进一步将机械能转化成电能。风机的种类有许多，市场上常见的还是横轴，上风向，升力型，三叶片风力发电机。

风的功率如下公式所示。

其中：为空气密度，A为垂直于风向的投影面积，V为风速，d为叶轮直径。

当风吹过风机后，叶轮前后的风速会明显下降，这是因为其中一部分动能被风机吸收了。因为叶轮后的风速不可能降为0，所以风力发电机并不能吸收风的全部功率。根据Betz定律，风机理论上能提取的最大功率是风功率的59.3%。

风机的功率曲线（如图1所示）反应了风力发电机组的功率特性，是衡量风机风能转化能力的重要指标之一。它取决于叶片的气动性能和机组的控制策略。风力发电机的额定功率是由风机和风况共同决定的。相同型号的风机，在不同的风频分布地带，可能会有完全不同的额定功率，并配置不同功率的发电机。

图1 风机的功率曲线

风力发电机的主要工作原理：风况在适用范围内——偏航系统驱动风机对准风向——变桨系统驱动叶片适应相对风速——风”吹动”片旋转——叶片带动主轴旋转——主轴转速经过主齿轮箱增速（其中，直驱技术不需要主齿轮箱）——带动发电机旋转发电——电力通过电缆输送到基站。

目前风力发电机呈现了4个发展方向：大型化，智能化，模块化和多元化。技术发展的趋势，无非是从减少资金投入，提高风能利用率，提高产品可靠性3个方面降低风电的平准化度电成本，提高竞争力。

下面主要就风机的6个主要组件来简单分析一下风机硬件的多元化技术路线。

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。

风能是一种技术比较成熟、很有开发利用前景的可再生能源之一。风能的利用方式不仅有风力发电、风力提水，而且还有风力致热、风帆助航等。因此，开发利用风能对世界各国科技工作者具有极强的魅力，从而唤起了世界众多的科学家致力于风能利用方面的研究。在本文中，将对风力发电技术的基本原理和发电机的发展方向进行论述。

1.1 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。

101325)273(99.352ht （1）

式中的是空气密度，H是当地大气压力，T是温度（单位是摄氏度）。

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。

1.2 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（本论文公式中的物理量除特殊情况说明外均采用国际单位）

mvp212 （2）

其中：单位时间质量流量m=ρAV

AVP21 3221AVV （3）

而风能发电机实际转换的有用功率是： 321AVCPempw （4）

active stall power control 主动失速控制

alternating current (AC) 交流电

azimuth angle 方位角

Betz' law 贝茨定律

dB (A), decibel (A) scale 分贝

delta connection Δ连接

density of air 空气密度

direct grid connection 直接并网

efficiency 效率

energy balance 能量平衡

extreme load 极端负荷

fatigue load 疲劳负荷

flange 法兰

grid frequency 电网频率

gust 阵风

horizontal axis wind turbine (HAWT) 水平轴风力机

hub height 轮毂高度

hydraulics system 液压系统

Hz (Hertz) Hz

induction generator 感应电机

Installation 安装