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风力发电的基本原理

5.1风能
5.11风的形成
风的形成及其特点：空气的流动现象称为风。风是空气由于受热或受冷而导
致的从一个地方向另一个地方的移动。空气的运动遵循大气动力学和热力学变化
的规律。
5.12风能密度—慨念
风能密度，是气流垂直通过单位截面积（风轮面积）的风能，空气在1秒内
以速度为V流过单位面积产生的动能称为风能密度，是表征一个地方风能资源
多少的一个指标。

中国风能密度资源分布图

5.13风能密度—简介

风能密度
风能密度（wind-powerdensity）是气流在单位时间内垂直通过单位面积
的风能W＝0.5ρV3瓦/米2，通过单位截面积的风所含的能量称为风能密度，常
以瓦/平方米来表示。它是描述一个地方风能潜力的最方便最有价值的量，但是
在实际当中风速每时每刻都在变化，不能使用某个瞬时风速值来计算风能密度，
只有长期风速观察资料才能反映其规律，故引出了平均风能密度的概念。

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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。
5.14风能密度—定义
风能密度：空气在1秒内以速度为V流过单位面积产生的动能称为风能密度。
5.15风能密度—公式
风能密度公式

式中：E为风能（瓦）；
为空气密度（公斤/立方米）；
V为风速（米/秒）；
F为垂直于风速的截面积（平方米）。
5.16风能密度公式：
在与风能公式相同的情况下，将风轮面积定为1平方米（A=1m2）时所具有的
功率为

式中ρ为空气密度，V为风速。衡量一地风能大小，要视常年平均风能的多少而
定，即

式中为平均风能密度，T为总时数。
5.17风能密度—分类
5.171平均风能密度
因为风速的随机性很大，用某一瞬时的风速无法来评估某一地区的风能潜力，
因此将平均风速代入W＝0.5ρV3瓦/米2式得出平均风能密度。
W＝1/T∫0.5ρV3dt
W――该段时间0－T内的平均风能密度
ρ――空气密度(ρ的变化可以忽略不计)
V――对应T时刻的风速
W＝ρ/2T∫V3dt＝ρ/2N∑Vi3
5.172有效风能密度

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在实际的风能利用中，对于那些不能使风能转换装置如风力发电机启动或运
行的风速，例如0～3米的风速不能使风机启动，超过风机运行风速将会给风机
带来破坏，故这部分风速也无法利用，除去这些不可利用的风速后，得出的平均
风速所求出的风能密度称之为有效风能密度。
W＝∫0.5ρV3P(v)dv
V1――启动风速
V2――停机风速
P(v)――有效风速范围内的条件概率分布密度函数
5.173年风能可利用时间：
年风能可利用时间是指一年之中可以运行在有效的风速范围内的时间，它可
由下式求得：
t＝N{exp[―(V1/c)k]―exp[―(V2/c)k]}
式中N为全年的小时数，V1为启动风速，V2为停机风速，C、K为威布尔分布的
两个参数。

5.2风力发电的基本原理
5.21风力发电的基本原理
风力发电机原理是将风能转换为机械能的动力机械，又称风车。广义地说，
它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。风力发电利用的
是自然能源。相对柴油发电要好的多。但是若应急来用的话，还是不如柴油发电
机。风力发电不可视为备用电源，但是却可以长期利用。
风力发电的原理是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度
提升，促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微
风的程度），便可以发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电没
有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；
我国也在西部地区大力提倡。小型风力发电系统效率很高，风力发电机由机头、
转体、尾翼、叶片组成。每一个部分都很重要，各部分的功能为：叶片用来接受
风力并通过机头转为动能；尾翼使叶片始终对着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能。风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13~25V
变化的交流电，须经过充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电量
变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流
220V，才能保证稳定使用。
风能具有一定的动能，通过风轮将风能转化为机械能，拖动发电机发电。风
力发电的原理是利用风带动风车叶片旋转，再通过增速器将旋