風(fēng)力發(fā)電DIY之風(fēng)速與風(fēng)功率

風(fēng)能與風(fēng)功率

風(fēng)功率與風(fēng)壓一團(tuán)質(zhì)量為m的空氣以速度v運(yùn)動(dòng)，它所具有的動(dòng)能

（1）設(shè)一個(gè)垂直于風(fēng)向的平面，面積為S，見圖1圖1

風(fēng)速與截風(fēng)面積單位時(shí)間通過該平面的空氣質(zhì)量m為

ρ是空氣密度

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下ρ=1.2928kg/m3

，考慮到氣溫等因素本處計(jì)算取ρ=1.2kg/m3，代入（1）式得到風(fēng)功率P：

（2）可見同樣面積下風(fēng)功率的增加是按風(fēng)速增加的三次方倍增加，例如，對(duì)于1平方米風(fēng)速為5米時(shí)的風(fēng)功率為75W，當(dāng)風(fēng)速為10米時(shí)的風(fēng)功率為600W。

空氣在1秒時(shí)間里通過單位面積的動(dòng)能也稱為“風(fēng)能密度”，在此風(fēng)能密度

“風(fēng)壓”就是垂直于氣流方向的平面所受到的風(fēng)的壓力，在計(jì)算風(fēng)力機(jī)載荷時(shí)需要參考。風(fēng)壓以單位面積上的風(fēng)的動(dòng)壓來表示：

（3）可見風(fēng)壓的增加是按風(fēng)速增加的二次方倍增加。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，把風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分為5級(jí)，按年平均風(fēng)速10m/s、8.5m/s、7.5m/s、6m/s四種風(fēng)速和特殊設(shè)計(jì)風(fēng)速一個(gè)（本處設(shè)為13m/s），我們?cè)僭黾油C(jī)風(fēng)速20m/s和起動(dòng)風(fēng)速3m/s共七個(gè)風(fēng)速來計(jì)算單位面積（每平方米）的風(fēng)功率與風(fēng)壓，計(jì)算所得數(shù)據(jù)填于下表：表1

風(fēng)速、風(fēng)功率、風(fēng)壓對(duì)照表

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率圖2

水平軸風(fēng)力機(jī)的掃風(fēng)面積圖3是一個(gè)四葉片的H型升力垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的掃掠面積示意圖。圖3

垂直軸風(fēng)力機(jī)的掃風(fēng)面積

根據(jù)前面兩表可由所需發(fā)電功率估算出風(fēng)力機(jī)所需的掃風(fēng)面積，例如200W的升力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作風(fēng)速為6m/s，全效率按25%計(jì)算所需掃風(fēng)面積約為6.2m2,如果工作風(fēng)速為10m/s則所需掃風(fēng)面積約為1.4m2即可；例如10kW的升力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作風(fēng)速為10m/s，全效率按30%計(jì)算所需掃風(fēng)面積約為56m2,如果工作風(fēng)速為13m/s則所需掃風(fēng)面積約為25m2即可。按高風(fēng)速設(shè)計(jì)的風(fēng)力機(jī)體積小成本相對(duì)低些，但必須用在高風(fēng)速環(huán)境，例如把一臺(tái)設(shè)計(jì)風(fēng)速為10m/s的風(fēng)力機(jī)放在風(fēng)速為6m/s的環(huán)境工作，其功率會(huì)下降80%；按風(fēng)速6m/s設(shè)計(jì)的風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪會(huì)很大，雖在6m/s時(shí)運(yùn)行很好，但遇大風(fēng)易超速損壞電機(jī)，為抗強(qiáng)風(fēng)時(shí)需增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度使成本大大增加。風(fēng)力機(jī)的工作風(fēng)速范圍選擇要適當(dāng)，既要在較寬的風(fēng)速范圍內(nèi)高效安