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（WM）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。
352.99 h （273 t）101325
/ 八 （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）
p ^mv 2
2
其中：单位时间质量流量m=p AV 1
P AV V2 AV3
2
2
（2）
1 2
3
（3）
而风能发电机实际转换的有用功率是：
1 3
3
Pw 2°P me AV
(4)
式中的RW是每秒空气流过风力发电机叶轮断面面积的风能， 即风能功率，单位W,
CP是叶轮的风能利用系数，m是齿轮箱和传动系统的机械效率，一般为0.80 — 0.95， 直
驱式风力发电机为1.0， e是发电机效率，一般为0.70 — 0.98， 是空气密度，A 是风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积， V 是风速。
1.3贝茨(Betz)理论
第一个关于风轮的完整理论是由德国哥廷根研究所的 A ?贝茨于1926年建立的。 贝茨假定风轮是理想的，也就是说没有轮毂，而叶片数是无穷多，并且对通过风 轮的气流没有阻力。因此这是一个纯粹的能量转换器。此外还进一步假设气流在整个 风轮扫掠面上的气流是均匀的，气流速度的方向无论在风轮前后还是通过时都是沿着 风轮轴线的。
通过分析一个放置在移动空气中的“理想”风轮得出风轮所能产生的最大功率为
8 3
Pmax 习 AV3
式中的Pmax是风轮所能产生的最大功率，P是空气密度， 转一周所扫过的面积，V是风速。
这个表达式称为贝茨公式。其假定条件是风速与风轮轴方向一致并在整个风轮扫 掠面上是均匀的。
将(5)式除以气流通过扫掠面A时风所具有的动能，可推得风力机的理论最大效率
(5)
A是风力发电机叶轮旋
max
2
丄 A V1
3
27
丄 A V13 2
AV
1631
0.593 27
(6)
⑹ 式即为有名的贝兹(Betz)理论的极限值。它说明，风力机从自然风中所能
索取的能量是有限的，其功率损失部分可以解释为留在尾流中的旋转动能。
能量的转换将导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电机的型式而异， 因此, 风力机的实际风能利用系数CpvO.593。
1.4 风力机的主要组成
1.4.1 小型风力发电机
小型水平轴风力机主要组成部分有： 风轮、发电机、塔架、调向机构、蓄能系统、
逆变器等。风轮是风力机从风中吸收能量的部件，其作用是把空气流动的动能转变为 风轮旋转的机械能。水平轴风力发电机的风轮是由 1~3个叶片组成的。在风力发电机 中，已采用的发电机有 3种，即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。小 型风力发电机多采用同步或异步交流发电机， 发出的交流电通过整流装置转换成直流 电。塔架用于支撑 发电机和调向机构等。因风速随离地面的高度增加而增加，塔架 越高，风轮单位面积捕捉的风能越多，但造价、安装费等也随之加大。垂直轴风力机 可接受任何方向吹来的风，因此不需要调向机构。对于水平轴风力机，为了得到最高 的风能利用效率，应用风轮的旋转面经常对准风向，需要对风装置。常用的调向机构 主要有尾舵、舵轮、电动对风装置。当风速高于风力机的设计风速时，为了防止叶片 损坏，需要对风轮转速进行控制需要限速装置。贮能装置对独立运行的小型风力机是 十分重要的。其贮能方式有热能贮能、化学能贮存。逆变器用于将直流电转换为交流 电，以满足交流电气设备用电的要求。
1.4.2 大型风力发电机 大型风力发电机组由两大部分组成：气动机械部分和电气部分。气动机械部分包 括风轮、低速轴、增速齿轮箱、高速轴，其功能是驱动发电机转子，将风能转换为机 械能。电气部分包括异步发电机、电力电子变频器、变压器和电网，其功能是将机械 能转换为频率恒定的电能。近年来，又研制成功了直驱式变速恒频风力发电机组（无 增速齿轮箱）。
1.5 风力发电的功率曲线 在风速很低的时候，风电机风轮会保持不动。当到达切入
风速时（通常每秒 3到 4 米），风轮开始旋转并牵引发电机开始发电。随著风力越来越强，输出功率会增加。 当风速达到额定风速时，风电机会输出其额定功率。之後输出功率大致会保持不变。 当风速进一步增加，达到切出风速的时候 , 风电机会剎车，不再输出功率，为免受损 . 风力发电机的性能可以用功率曲线 （参见图 1）来表达。功率曲线是用作显示 在 不同风 速下（切入风速到切出风速）风电机的输出功率。
1.6 风力发电机的额定输出功率
风力发电机的额定输出功率是配合特定的额定风速而设定的。 由于能量与风速的 立
方成正比 , 因此，风力发电机的功率随风速变化会很大。同样构造和风轮直径相同 的风电机可以配以不同大小的发电机。 因此两座同样构造和风轮直径相同的风电机可 能有相当不同的额定输出功率值，这取决于它的设计是配合强风地带（配较大型发电
风力发电的基本原理
