风力机发电原理

1、风力机原理与设计复习题1.风力发电主要优点是什么？节约成本、清洁环保、可以和建筑物结合建设、不需要频繁维修、适于电力达不到的偏远地区和离网生活用电。2.风力发电的缺点是什么？噪声影响、需要建设配套输送措施、可能会对鸟类造成伤害、目前对政府补贴依赖性强。3.人类早期对风能的利用有哪些？船舶航行、提水饮用、排水造田、磨面锯木和灌溉4.早期的风车都那些类型？波斯风车、德国风车、荷兰风车、美国风车、5、德国科学家阿尔伯特.贝兹对风力机的物理和气动性能展开理论研究，得出了风力机最大风能转化效率为0.593的结论。6.他把动量和能量定理与叶型升力理论相结合，建立了叶片最优设计理论。7.垂直轴风力机和水平轴

2、风力机比较各自的特点是什么？垂直轴风力机的发明迟后于水平轴风力机。8.未来风力发电技术主要体现在那些方面/（1）水平轴风力风力发电机组成为技术主流（2）风力发电机组的风轮直径和输出功率趋于大型化。（3）控制输出系统和方式会逐渐增多。（4）变速恒频风力发电机组越来越多。（5）海上风电会备受重视。（6）直驱式风力发电机组会有更好的应用前景。9.什么是风？它是如何形成的？风是一种自然现象，是指空气相对于地球表面的运动。通常讲的风是指水平方向的空气运动。风的形成是空气流动的结果。10.什么是海陆风及特点？白天从海洋吹向大陆的风称为海风，夜间从陆地吹向海洋的风称为陆风，一天之间的周期性环流称为海陆风。海

3、陆风的强度在海岸最大，随着离岸距离而减弱，一般影响距离为2050公里，海风比陆风大。海陆风最强烈的地区，发生在温度日变化最大及昼夜海陆温度最大地区。11.风的大小风的大小是指风速的大小。它表示空气在单位时间内流过的距离，单位为m/s。风速和风向在时间和空间上的变化均是随机的。通常把瞬时风速看做是平均风速和脉动风速两部分组成。表述公式如下：12.什么是瞬时风速：即某时刻空间某点的实际风速；13.什么是平均风速:即某时距内空间某点各瞬时风速的平均值14.什么是脉动风速：即某时刻空间某点瞬时风速与平均风速的差值。15.平均风速的大小不仅取决于时距外，还与所测点的高度有关，我国规定的测距高度为10m。

4、16.目前国际上采用的风速等级是1805年英国人蒲福拟定的，把风力分为13级。17.平均风速的准确定义是：在某一时间间隔中。空间某点瞬时水平方向风速的数值平均值，其数学表达式为：平均风速的计算与时间间隔有关。目前国际通行的计算平均风速的时间间隔为10120min范围内。我国规定计算时间间隔为10min。18.平均风速随高度的变化规律在近地层中，风随高度有显著变化。造成风在近地层中垂直变化的原因有动力因素和热力因素。前者主要来源于地面的摩擦效应，即地面的粗糙度；后者主要表现在与近地层大气垂直稳定度的关系。风速随高度的变化服从普特朗经验公式和风速廓线分布。19. 风速廓线分布可采用对数律分布或指数

5、律分布表示。对数律分布:风速随高度的变化服从普特朗经验公式，即 其中式中的u为距离地面高度为z处的平均风速，为摩擦速度；K为卡门常数，大约为0.4左右；为空气密度，一般取1.225kg/m3;为地面剪切应力，单位N/m2,为地表面粗糙度长度，单位m。20.指数律分布：用指数分布计算风速廓线比较简单，因此多数国家采用经验的指数律关系描述近地层中平均风速随高度的变化。其数学表达式为：式中：为离地面高度H0 处的平均风速； 为离地面参考高度H处的平均风速； 为风切变指数，与地面粗糙度有关系，近似取1/7（0.143）。21.什么叫风速廓线，其含义及作用是什么？又称平均风速梯度或风剖面。表示平均风速沿

6、高度变化规律的曲线。是风的重要特性之一。用自然对数描述，指数公式描述。22.平均风速概率密度曲线表示了平均风速的分布规律。可以用数理统计法，用一定的函数关系拟合实测概率密度曲线。通常以双参数威布尔分布或瑞利分布来描述平均风速分布。威布尔分布用下式表示:式中:k为形状系数；c为尺度系数。威布尔分布用形状系数k和尺度系数c来表征。23.脉动风速脉动风速也是随机变化的，即可用某点长时间的观测样本来代表整个脉动风速的统计特征。脉动风速的概率密度函数非常接近于高斯分布或正态分布，根据正态分布密度函数可以将脉动风速的概率密度函数表示为：为的均方根值。24风向风向是描述风能特性的又一个重要参数。气象上把风吹

7、来的方向规定为风向。在风向的测量中，陆地一般用16个方位表示风向；海上要用32个方位表示。风向可以用风向标来确定，也可用风速计（风速、风向都可以）25.风向在某时段内出现的频率常用风向玫瑰图表示。从风向玫瑰图中可以得知当地的主导风向。25.什么是理论可用风能？流动空气所具有的动能在通过风力机转化为其他形式的能量时，还有一个转化率的问题。最理想的转化率Cp（风能利用系数）与风能的乘积即为理论开业风能。理论上一年内可用风能E可用风能密度-时间曲线与时间坐标之间的面积乘以Cp来表示。26，风能的计算风能的利用就是将流动的空气拥有的动能转化为其他形式的能量，因此，计算风能的大小也就是计算流动空气所具有

8、的动能。式中：27.风能功率单位时间内垂直流过截面A的空气拥有的做功能力称为风能功率28.平均风能密度风能密度是气流在单位时间内垂直通过单位面积的风能，单位是W/m2.它是描述一个地方风能潜力最方便、最有价值的量。它的数学描述是：平均风能的概念是：在T这一较长的时间内，将上式对时间积分再取平均，便得到T时段内的平均风能密度29.我国风能资源的基本情况：对我国来说，风能资源丰富及较丰富的地区，主要分布在北部和沿海及其岛屿两个大带，其余只是在一些特殊地形或湖岸地区呈孤岛式分布。（1） 三北地区（西北、华北、东北）地区风能资源丰富区（2） 东南沿海及其岛屿风能资源丰富（3） 内陆风能资源丰富区:如鄱

9、阳湖附近30.为什么说青藏高原对风能利用来说是一般地区？青藏高原风速是比较大，但是海拔太高，均在4000米左右，因为空气密度较平原地区小，所以风功率密度也小，因此利用价值低。31.风力机的分类（1）按照主轴与水平面的相对位置，分为水平轴风力机和垂直轴风力机水平轴风力机分为上风向和下风向两种实验结果发现水平轴风力机的风能利用系数要高于所有类型的垂直轴风力机。（2）按风轮与塔架的位置水平轴风力机分为上风向和下风向两种他们的各自特点是什么?(3)按叶片的工作原理分可分为升力型风力机和阻力性风力机升力型风力机风轮所受的作用力是在叶片上与相对风速垂直的升力，阻力型风力机的风轮所受的作用力是风的作用力中与

10、叶面垂直的阻力。（4） 按风力机组发电容量分分为大、中、小型风力机小于60kW的属于小型风力机组，70600kW属于中型风力机组，6001000kW属于大型机组，大于1000kW的风力机组叫做兆瓦级风力发电机组。（5）按照风力发电机组的功率调节方式分定桨距失速型、变桨距型、主动失速型和独立变桨控制方式。（6）按照风力发电机组的传动形式分高传动比齿轮箱型风力机、无齿轮箱和半直驱式风力机（7）按风力机组的转速变化形式分恒速型、变速型、多态定速型（8）按风力机机组的塔架结构分塔筒式风力机、桁架式风力机和拉索式风力机对于水平式风力机机组主要构成部件有哪些？风轮、机舱、塔筒和基础32.叶片的结构叶片具有

11、空气动力学特性，接收风能使风轮绕其轴转动的主要构件，能在运行中产生升力。其结构中有4条位置线对叶片的计算至关重要：变桨径向线、弹性线、重心线、压力线33.叶片的材料常用铝合金、不锈钢、玻璃纤维树脂基复合材料、碳纤维树脂基复合材料、木材34.叶片防雷击的措施有哪些？大多数玻璃纤维树脂基复合材料（玻璃钢）的叶片很少会受到雷击的影响。但在这种叶片中如果有导电材料（电线，信号线等）也会有雷击的可能。对于金属或碳纤维树脂基复合材料制成的叶片就要考虑防雷措施。一般是在叶尖部位沿整个叶片外围做医德金属的尖帽，从叶尖向内延伸810cm，在后缘上的接地板条必须与尖帽搭接号，并通过轮毂讲雷电引入大地。35.变桨机

12、构的作用变桨机构主要用来控制叶片相对于旋转平面的位置角度。变桨控制使风力机在低速时即可截获风能，在风速高于额定风速时截获到固定大小的风能。当风速高于额定风速时，变桨机构调节叶片桨距角以改变攻角，使得叶片失速而使得输出电能趋于额定值。最常用的变桨机构有：液压系统、支架及小齿轮结构、电动机单独控制对应叶片。36.风力机刹车系统往往具有空气动力刹车和机械刹车两套系统。两套系统功能各异，相互补充。空气动力刹车是作为机械刹车的补充。是风力机的第二安全系统，他并不能使风轮完全停止。37.风力机空气动力刹车是如何实现的？失速型风力机常采用空气动力刹车。空气动力刹车装置叫做叶尖扰流器，安装在叶片的叶尖处。他可

13、以通过液压系统控制进行旋转，以改变叶片的形状影响到风轮的气流阻力情况，产生阻力减缓叶片旋转速。叶尖扰流器也是液压系统失效的保护装置。38.叶片的翼型风机叶片的横截面称为翼型，有对称翼型和不对称翼型，风力机中采用的主要是不对称型翼型，即上表面的弯曲弧度比下表面大，这样由于上表面压力下降和速度增加的程度都比下表面大，就会成升力。39.什么是风力机翼型的攻角攻角（英文：Attack Angle ），也称迎角，为一流体力学名词。对于翼形来说，攻角定义为翼弦与来流速度之间的夹角，抬头为正，低头为负，常用符号表示。首先，叶片没有攻角这个概念，攻角概念是对于翼型来说的，而叶片是由不同的翼型构成；其次，由于攻

14、角的大小决定了翼型升阻力系数的高低，从而影响由翼型构成的叶片的气动性能；再次，叶轮的转速取决于叶片的升阻力之和；最后，通过改变攻角>改变翼型气动特性>改变叶片升阻力系数>改变叶轮转速。什么是风力发电机组的迎角、桨距角和攻角? 来流风和叶片的转动速度,两者的合速度会与旋转平面有个夹角,这就是迎角.桨距角则为翼型的弦线与旋转平面的夹角了.迎角-桨距角=攻角.当翼片与气流方向有夹角（该角称攻角或迎角）时，随攻角增加升力会增大，阻力也会增大，平衡这一利弊，一般说来攻角为8至15度较好。超过15度后翼片上方气流会发生分离，产生涡流，升力会迅速下降，阻力会急剧上升，这一现象称为失速。40

15、.相对风速风力机叶片运动时所感受到的风速是外来风速与叶片运动速度的合成速度，称为相对风速。下图是一个风力机的叶片截面，当叶片运动时，叶片感受到的相对风速为w，它是叶片的线速度（矢量）u与风进叶轮前的速度（矢量）v的合成矢量 w=u+v 相对风速与叶片弦线之间的夹角就是叶片的攻角 41.叶尖速比风轮叶片尖端线速度与风速之比称为叶尖速比。 下图是一个风力机的叶轮，u是旋转的风力机风轮外径切线速度，v是风进叶轮前的速度，叶尖速比=u/v阻力型风力机叶尖速比一般为0.3至0.6，升力型风力机叶尖速比一般为3至8。 在升力型风力机中，叶尖速比直接反映了相对风速与叶片运动方向的夹角，即直接关系到叶片的攻角

16、，是分析风力机性能的重要参数。44.风力机设计中相似理论相似理论主要应用于风力机的相似设计及性能的换算中。所谓相似设计，是根据实验研究出来的性能良好、运行可靠的模型来设计与模型相似的风力机叶片。性能相似换算是用于试验条件下不同于设计的现场条件时，将试验条件下的性能利用相似原理换算到设计条件下的性能。风力机相似是指风轮与气体的能量传递过程以及气体在风力机内流动过程相似，它们在任一点对应的同名物理量之比保持常数，这些常数称为相似常数。依据相似理论要保证气流流动过程相似，必须满足几何相似、运动相似和动力相似。45.风轮叶片的性能风力机性能主要包括功率特性、转矩特性、轴向力（推力）特性，他们都取决于风

17、轮叶片的空气动力特性。46；风力机基本性能的计算方法目前风力机性能的计算时主要采用叶素-动量理论。根据叶素-动量理论先计算出轴向诱导因子a和周向诱导因子b，再求得叶素上的气流速度三角形以及作用在叶素上的法向力dFn和切向力dFt，最后通过积分求出作用在风轮上的轴向力T、转矩Q和功率P。其中：z为风力机的叶片数；t为风力机翼型弦长；A为风轮扫掠面积；CT为轴向力系数；CM为转矩系数；Cp为风能利用系数。某风力机风轮性能曲线簇某风力机风轮的力矩曲线簇不同风轮实度时的风能利用系数不同风轮偏航角时的风能利用系数不同风轮叶片桨距角时的风能利用系数47:叶片气动设计常用的方法有图解法、等升力系数法、等弦长

18、法、Glauert设计法、Wilson设计法、简化风车设计法、动量-叶素法。目前，叶片的设计法主要以动量-叶素理论为基础，结合其他优化算法实现叶片气动性能、强度、内部结构、外形及发电量等各项性能的综合优化设计。48.叶片气动性能设计参数（1）风轮叶片数转速越高、叶片数越少；减少叶片数，可以降低风轮成本叶片叶素的弦长t与叶片数z成反比风轮转动质量的动平衡、振动控制的难易、风轮运转噪声的大小。（2）风轮叶片长度（3）最佳风轮叶片形状（4）风轮叶片扭角（5）风轮叶片翼型（6）雷诺数（7）风力机叶片表面的粗糙度（8）风力机叶片厚度（9）风轮叶尖速比49.风轮的调向装置（1）尾舵调向（2）侧风轮调向（3

19、）1.已知某风力发电机组的风轮直径为60m，其风能利用系数k为0.45，求风速为13m/s时，该风力发电机组的风轮输出功率是多少？（空气密度取=1.2kg/m3）6.某风力发电机组，在5m/s风速时输出功率是50kW，当风速为15m/s时，问此时该机组的输出功率是多少？6.解：在其他条件不变的情况下，风力发电机输出功率与风速的立方成正比，即： 所以：答：略什么是风玫瑰图也叫风向频率玫瑰图，它是根据某一地区多年平均统计的各个风向和风速的百分数值，并按一定比例绘制，一般多用八个或十六个罗盘方位表示。由于该图的形状形似玫瑰花朵，故名“风玫瑰”。玫瑰图上所表示风的吹向（即风的来向），是指从外面吹向地区

20、中心的方向。风玫瑰图分为风向玫瑰图（图二）和风速玫瑰图（图三）两种，一般多用风向玫瑰图。风力发电机风轮系统2.1.1 风力机空气动力学的基本概念1、风力机空气动力学的几何定义（1） 翼型的几何参数翼型翼型本是来自航空动力学的名词，是机翼剖面的形状，风力机的叶片都是采用机翼或类似机翼的翼型，与翼型上表面和下表面距离相等的曲线称为中弧线。下面是翼型的几何参数图 1）前缘、后缘 翼型中弧线的最前点称为翼型的前缘，最后点称为翼型的后缘。 2）弦线、弦长 连接前缘与后缘的直线称为弦线；其长度称为弦长，用c表示。弦长是很重要的数据，翼型上的所有尺寸数据都是弦长的相对值。 3）最大弯度、最大弯度位置 中弧线

21、在y坐标最大值称为最大弯度，用f表示，简称弯度；最大弯度点的x坐标称为最大弯度位置，用xf表示。 4）最大厚度、最大厚度位置 上下翼面在y坐标上的最大距离称为翼型的最大厚度，简称厚度，用t表示；最大厚度点的x坐标称为最大厚度位置，用xt表示。 5）前缘半径 翼型前缘为一圆弧，该圆弧半径称为前缘半径，用r1表示。 6）后缘角 翼型后缘上下两弧线切线的夹角称为后缘角，用表示。7）中弧线 翼型内切圆圆心的连线。对称翼型的中弧线与翼弦重合。8）上翼面 凸出的翼型表面。9）下翼面 平缓的翼型表面。（2） 风轮的几何参数1）风力发电机的扫风面积风轮旋转扫过的面积在垂直于风向的投影面积是风力机截留风能的面积

22、，称为风力机的扫掠面积，下图是一个三叶片水平轴风力机的扫掠面积示意图。 下图是一个四叶片的H型升力垂直轴风力发电机的扫掠面积示意图。 根据前面两表可由所需发电功率估算出风力机所需的扫风面积，例如200W的升力型垂直轴风力发电机工作风速为6m/s，全效率按25%计算所需扫风面积约为6.2m2,如果工作风速为10m/s则所需扫风面积约为1.4m2即可；例如10kW的升力型垂直轴风力发电机工作风速为10m/s，全效率按30%计算所需扫风面积约为56m2,如果工作风速为13m/s则所需扫风面积约为25m2即可。按高风速设计的风力机体积小成本相对低些，但必须用在高风速环境，例如把一台设计风速为10m/s

23、的风力机放在风速为6m/s的环境工作，其功率会下降80%；按风速6m/s设计的风力机风轮会很大，虽在6m/s时运行很好，但遇大风易超速损坏电机，为抗强风时需增加结构强度使成本大大增加。2）风轮轴线：风轮旋转运动的轴线3）旋转平面：与风轮轴垂直，叶片在旋转时的平面4）风轮直径：风轮在旋转平面上的投影圆的直径5）风轮中心高：风轮旋转中心到基础平面的垂直距离6）风轮锥角：叶片相对于和旋转轴垂直的平面的倾斜角7）风轮仰角：风轮的旋转轴线和水平面的夹角 8）叶片的轴线：叶片纵向轴线，绕其可以改变叶片相对于旋转平面的偏转角（安装角）9）风轮翼型：叶片与半径r并以风轮轴为轴线的圆柱相交的截面10）安装角或浆

24、距角：叶片径向位置叶片翼型弦线与风轮旋转面间的夹角 2、流线概念气体质点：体积无限小的具有质量和速度的流体微团。流线： 在某一瞬时沿着流场中各气体质点的速度方向连成的一条平滑曲线。 描述了该时刻各气体质点的运动方向：切线方向。 一般情况下，各流线彼此不会相交。 流场中众多流线的集合称为流线簇。如图所示。绕过障碍物的流线: 当流体绕过障碍物时，流线形状会改变，其形状取决于所绕过的障碍物的形状。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

25、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

26、动就成了绕翼型的流动，也就成了二元流动或平面流动。3、升力与阻力风就是流动的空气，一块薄平板放在流动的空气中会受到气流对它的作用力，我们把这个力分解为阻力与升力。图中F是平板受到的作用力，D为阻力，L为升力。阻力与气流方向平行，升力与气流方向垂直。 我们先分析一下平板与气流方向垂直时的情况，此时平板受到的阻力最大，升力为零。当平板静止时，阻力虽大但并未对平板做功；当平板在阻力作用下运动，气流才对平板做功；如果平板运动速度方向与气流相同，气流相对平板速度为零，则阻力为零，气流也没有对平板做功。一般说来受阻力运动的平板当速度是气流速度的20%至50%时能获得较大的功率。 当平板与气流方向平行时，平

27、板受到的作用力为零（阻力与升力都为零）。 当平板与气流方向有夹角时，在平板的向风面会受到气流的压力，在平板的下风面会形成低压区，平板两面的压差就产生了侧向作用力F，该力可分解为阻力D与升力L。 当夹角较小时，平板受到的阻力D较小；此时平板受到的作用力主要是升力L。 截面为流线型的飞机翼片阻力很小，即使与气流方向平行也会有升力，因为翼片上表面弯曲，下表面平直，翼片上方气流速度比下方快，跟据流体力学的伯努利原理（丹尼尔·伯努利在1726年首先提出时的内容就是：在水流或气流里，如果速度小，压强就大，如果速度大，压强就小。），上方气体压强比下方小，翼片就受到向上的升力作用。 当翼片与气流方向

28、有夹角（该角称攻角或迎角）时，随攻角增加升力会增大，阻力也会增大，平衡这一利弊，一般说来攻角为8至15度较好。超过15度后翼片上方气流会发生分离，产生涡流，升力会迅速下降，阻力会急剧上升，这一现象称为失速。 风力发电用风力机有阻力型与升力型两种，水平轴风力机基本都是升力型，垂直轴风力机有多种阻力型结构，也有是升力型结构。3、压力中心正常工作的翼片受到下方的气流压力与上方气流的吸力，这些力可用一个合力来表示，该力与弦线（翼片前缘与后缘的连线）的交点即为翼片的压力中心。对称翼型在不失速状态下运行时，压力中心在离叶片前缘1/4叶片弦长位置；运行在不失速状态下的非对称翼型，在较大攻角时压力中心在离叶片

29、前缘1/4叶片弦长位置，在小攻角时压力中心会沿叶片弦长向后移。 4、雷诺数雷诺数是衡量作用于流体上的惯性力与粘性力相对大小的一个无量纲参数，雷诺数用Re表示， Re= v l / 式中流体密度；v流场中的特征速度；l特征长度；流体的粘度，流体的粘度主要随温度变化，空气的粘度随气温升高加大；而液体则相反，温度升高粘度减小。 定义为流体的运动粘度，=/   于是  Re=l / 在研究翼型的气动特性时，v取翼型的运动速度，l取翼型的弦长，得到的就是该翼型的雷诺数。 雷诺数对翼型气动特性影响较大，一般翼型的失速迎角随雷诺数的增大而增大、最大升力系数也随失速攻角的增大而增

30、大。 5、失速当翼片运行较小迎角时，翼片处在正常升力状态，翼片上方与下方的气流都是平顺的附着翼型表面流过，见下图中的A图，此时有较大的升力且阻力很小。如果将翼片迎角变大，当超过某个临界角度时，翼片上表面气流会发生分离，不再附着翼型表面流过，翼型上方会产生涡流，导致阻力急剧上升而升力下降，这种情况称为失速。见下图中的B图。发生转变的临界角度称之为临界迎角或失速迎角，对于不同的翼型失速迎角也不同，普通翼型多在10度至15度，一般薄翼型失速迎角稍小，厚翼型失速迎角要大一些；对于同一个翼型影响失速迎角的是翼片运行时的雷诺数与翼片的光洁度。 6、相对风速风力机叶片运动时所感受到的风速是外来风速与叶片运动

31、速度的合成速度，称为相对风速。下图是一个风力机的叶片截面，当叶片运动时，叶片感受到的相对风速为w，它是叶片的线速度（矢量）u与风进叶轮前的速度（矢量）v的合成矢量 w=u+v 相对风速与叶片弦线之间的夹角就是叶片的攻角 2.1.2 风力机基本理论1、贝兹极限风能就是空气运动的动能，风在通过风轮时推动风轮旋转，把它的动能转变为风轮旋转的能量，但经过风轮做功后的风速不会为零，仅仅是减小，故风只能把一部分能量转交给风轮。那么风能把多大的能量转交给风轮呢，从理论上讲最大值为59.3%，这也是风力发电机组的风能利用系数的最大值，称为贝兹极限。目前高性能的风力发电机组风能利用系数约为40%。 4.1.3

32、风力机性能参数1、风能利用系数Cp风功率是速度为v的空气经过平面S后速度减为0所产生的功率，这是理想的情况，事实上空气经过平面S后并没有消失还得流走，速度不可能为0，所以说风只可能把一部分能量传给平面S。 在风力机中风通过风轮扫掠面积时把一部分动能传给风力机，把风轮接受的风的动能与通过风轮扫掠面积的全部风的动能的比值称为风能利用系数，根据贝茨理论，风力机的最大风能利用系数是59%，风能利用系数是衡量风力机性能的主要指标。 而实际的风力机是达不到这个理想数据的，各种形式的风轮接受风力的风能利用系数是不同的，阻力型风力机的风能利用系数较低，升力型风力机的风能利用系数较高。风力发电机组除了风轮的风能

33、利用系数外，还有机械传动系统效率、发电机效率等，这些效率的乘积就是风力发电机的全效率。在下表中列出了各种形式的风力发电机的全效率： 2、叶尖速比风轮叶片尖端线速度与风速之比称为叶尖速比。 下图是一个风力机的叶轮，u是旋转的风力机风轮外径切线速度，v是风进叶轮前的速度，叶尖速比=u/v阻力型风力机叶尖速比一般为0.3至0.6，升力型风力机叶尖速比一般为3至8。 在升力型风力机中，叶尖速比直接反映了相对风速与叶片运动方向的夹角，即直接关系到叶片的攻角，是分析风力机性能的重要参数。3、实度比风力机叶片的总面积与风通过风轮的面积（风轮扫掠面积）之比称为实度比（容积比），是风力机的一个参考数据。 左图为

34、水平轴风力机叶轮，S为每个叶片对风的投影面积，B为叶片个数，R为风轮半径，为实度比， =BS/R2右图为升力型垂直轴风力机叶轮，C为叶片弦长，B为叶片个数，R为风轮半径，L为叶片长度，为实度比。垂直轴风力机叶轮的扫掠面积为直径与叶片长度的乘积， =BCL/2RL= BC/2R 多叶片的风力机有高实度比，适合低风速、低转速大力矩的风力机，其效率较低。风力发电机多采用少叶片与窄叶片的低实度比风力机，可以较高效率高转速运行。4、切入风速 风力机对额定负载开始有功率输出时的最小风速。  5、额定风速 设计与制造部门给出的使机组达到规定输出功率的最低风速。 6、切出风速 由于调节器作用，使风力

35、机对额定负载停止功率输出时的风速。 7、停车风速 控制系统使风力机风轮停止转动的最小风速。   8、安全风速 风力机在人工或自动保护时不致破坏的最大允许风速。 9、额定转速 空气在标准状态下，对应于机组额定风速时的风轮转速。 10、额定功率 空气在标准状态下，对应于机组额定风速时的输出功率值。 11、平均风速 相应于有限时段，通常指二分钟或十分钟的平均情况。 12、年平均风速 按照年平均的定义确定的平均风速。通常以年平均风速来衡量所在地区的风能大小。13、风能密度 不考虑风力机械的利用系数，单位面积获得的风功率称为风能密度，并以此表征某地风能潜力的大小W=0.5v3(W/m

36、2)(1)推动风力机械运转的风能功率是面积、速度、气流动压的乘积。Pm=Fv(0.5v2)=0.5v3F(W)(2)式中：空气质量密度（kg/m3）； v风速(m/s)； F风力机械叶轮扫掠的面积(m2)由于实际上风力机械不可能将桨叶旋转的风能全部转变为轴的机械能，因而风轮的实际功率应为P=0.5v3FCP(W)(3)式中：CP风能利用系数，即风轮所接受风的动能与通过风轮扫掠面积F全部风的动能比值。以水平轴风力机械为例，理论上最大风能利用系数为0.593左右，但再考虑到风速变化和桨叶空气动力损失等因素，风能利用系数能达到0.4就相当高了。风能密度有直接计算和概率计算两种方法。近年来各国的风能计

37、算中，大多采用概率计算中的韦泊尔（Weibull）分布来拟合风速频率分布方法计算风能密度。 14、有效风速和有效风能密度风力机械要根据当地的风况确定一个风速来设计的，该风速称为“设计风速”或“额定风速”，它与“额定功率”相对应。由于风的随机性的不稳定，风力机械不可能始终在额定风速下运行。因此风力机械就有一个工作风速范围，即从切入风速到切出速度，称为工作风速，即有效风速。依此计算的风能密度称为有效风能密度。根据国标GB8974-88风力机名词术语的定义：起动风速风力机风轮由静止开始转动并能连续运转的最小风速；切入风速风力机对额定负载开始有功率输出时的最小风速；切出风速由于调节器的作用使风力机对额

38、定负载停止功率输出的风速；工作风速风力机对额定负载有功率输出的风速范围，一般为320ms。从定义上可以看出，低于起动风速，风力机不能运行，而高于切出风速，风力机如继续在高风速下运行，将会严重损坏风力机，甚至造成人身事故，这尤其要引起人们的重视。15、风能与风功率一团质量为m的空气以速度v运动，它所具有的动能设一个垂直于风向的平面，面积为S，单位时间通过该平面的空气质量m为是空气密度   标准状态下=1.2928kg/m3  ，考虑到气温等因素本处计算取=1.2kg/m3 ，代入（1）式得到风功率P： 可见同样面积下风功率的增加是按风速增加的三次方倍增加。 空气在1

39、秒时间里通过单位面积的动能也称为“风能密度”，在此风能密度 “风压”就是垂直于气流方向的平面所受到的风的压力，在计算风力机载荷时需要参考。风压以单位面积上的风的动压来表示：可见风压的增加是按风速增加的二次方倍增加。 根据国家标准，把风力发电机组的分为5级，按年平均风速10 m/s、8.5 m/s、7.5 m/s、6 m/s四种风速和特殊设计风速一个（本处设为13 m/s），我们再增加停机风速20 m/s和起动风速3 m/s共七个风速来计算单位面积（每平方米）的风功率与风压，计算所得数据填于下表： 年平均风速的测量方法  年平均风速就是全年逐小时风速的平均值，测量方法为观测高度距离地面

40、10m，采用自动记录风速仪，每秒采样一次，连续测量10min计算出平均值。以正点前10 min测量的风速平均值代表这一个小时的平均风速，年平均风速是全年逐小时风速的平均值。对于风电场测量可按风力机轮毂高度来测量平均风速，例如距离地面50m、60m等。一般来说年平均风速大于6m/s的地区建风电场才可获得良好的经济效益。4.1.4 常用叶片的翼型下面是一幅常见翼型的几何参数图，该翼型的中弧线是一条向上弯曲的弧线，称这种翼型为不对称翼型或带弯度翼型。 当弯度等于0时，中弧线与弦线重合，称这种翼型为对称翼型，下图为一个对称翼型。 下图是一个性能较好的低阻翼型，是带弯度翼型，在水平轴风力机中应用较多。 1、带弯度翼型的升力与失速 下面为一个低阻翼型的气流动力图，翼型弦线与气流方向的夹角（攻角）为，正常运行时气流附着翼型表面流过，靠近翼型上方的气流速度比下面的气流速度快，根据流体力学的伯努利原理，翼型受到一个上升的力Fl，当然翼型也会受到气流的阻力Fd。 这是正常的工作状态，有较大的升力且阻力很小。但翼型并不是在任何情况下都能产生大的升力。如果攻角大到一定程度，气体将不再附着翼型表