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風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的一種可再生能源技術(shù)。它的背景可以追溯到古代，人們利用風(fēng)力驅(qū)動(dòng)帆船、風(fēng)車等進(jìn)行機(jī)械工作?，F(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電起源于20世紀(jì)末的能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的興起。隨著對(duì)傳統(tǒng)化石燃料的依賴和全球溫室氣體排放的擔(dān)憂，風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔、可再生的能源選擇逐漸受到重視。風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展情況迅速增長。近年來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的下降，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為全球最重要的可再生能源之一。許多國家都在大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電，不僅為能源供應(yīng)提供了一種可靠的替代選擇，而且對(duì)減少碳排放和應(yīng)對(duì)氣候變化具有積極意義。當(dāng)今的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)越來越成熟和高效。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的尺寸不斷增大，新一代的風(fēng)力渦輪機(jī)通常具有更長的槳葉和更高的塔高，能夠捕捉更多的風(fēng)能。同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)也變得更加智能化和優(yōu)化，采用先進(jìn)的控制系統(tǒng)和風(fēng)向監(jiān)測技術(shù)，以提高發(fā)電效率并實(shí)現(xiàn)風(fēng)向風(fēng)速的實(shí)時(shí)調(diào)整。此外，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也在不斷拓展。除了傳統(tǒng)的陸上風(fēng)電場，海上風(fēng)電場也得到了越來越多的關(guān)注。海上風(fēng)電具有更穩(wěn)定的風(fēng)能資源和更大的發(fā)展?jié)摿Γ裁媾R著技術(shù)和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)。此外，新興技術(shù)如風(fēng)能儲(chǔ)能、垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)等也在不斷研發(fā)和應(yīng)用，以進(jìn)一步提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的效率和可靠性。總體而言，風(fēng)力發(fā)電在全球范圍內(nèi)呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭，成為推動(dòng)可持續(xù)能源轉(zhuǎn)型和應(yīng)對(duì)氣候變化的重要組成部分。1 自然能源的電力轉(zhuǎn)化 2 中日風(fēng)電發(fā)展?fàn)顩r 2.1 中國風(fēng)電狀況 2.2 日本風(fēng)電狀況
3 風(fēng)機(jī)的種類 4 風(fēng)能的計(jì)算 5 風(fēng)速的分布 6 風(fēng)速波動(dòng)的處理 7 風(fēng)機(jī)空氣動(dòng)力的效率轉(zhuǎn)換 7.1 貝茲極限理論（理論效率） 7.2 功率系數(shù) 7.3 功率及扭矩系數(shù)
8 風(fēng)機(jī)其他效率的轉(zhuǎn)換 9 如何提高風(fēng)電效率
10 中日在風(fēng)電上面臨的問題
自然能量是指從自然界中獲取的能源，可以通過各種技術(shù)和裝置轉(zhuǎn)化為電力。以下是一些常見的自然能量電力轉(zhuǎn)化方式：水力發(fā)電：利用水流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電力。水力發(fā)電通常通過建設(shè)水壩，形成水庫，并利用壩前的流水推動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力。這是一種常見且成熟的可再生能源轉(zhuǎn)化方式。 風(fēng)力發(fā)電：利用風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電力。風(fēng)力發(fā)電通常使用風(fēng)輪（也稱為風(fēng)力渦輪機(jī)）來轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)力發(fā)電是另一種常見的可再生能源轉(zhuǎn)化方式。 太陽能發(fā)電：利用太陽輻射的能量轉(zhuǎn)化為電力。太陽能發(fā)電系統(tǒng)使用光伏電池板將太陽光轉(zhuǎn)化為直流電，并通過逆變器將其轉(zhuǎn)換為交流電。太陽能發(fā)電是一種廣泛應(yīng)用于住宅和商業(yè)領(lǐng)域的可再生能源轉(zhuǎn)化方式。 生物質(zhì)能發(fā)電：利用生物質(zhì)（如木材、農(nóng)作物廢棄物和城市垃圾等）的燃燒熱能轉(zhuǎn)化為電力。生物質(zhì)能發(fā)電通過燃燒生物質(zhì)產(chǎn)生高溫蒸汽，驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電。 地?zé)岚l(fā)電：利用地球內(nèi)部熱能轉(zhuǎn)化為電力。地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)通過利用地下熱水或蒸汽的熱能，驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電。這種能源轉(zhuǎn)化方式主要應(yīng)用于地?zé)豳Y源豐富的地區(qū)。
除了以上列舉的方式，還有一些其他的自然能量電力轉(zhuǎn)化方式，如潮汐能發(fā)電、波浪能發(fā)電和地下水流能發(fā)電等。這些方式都是利用自然界的能源轉(zhuǎn)化為電力，以滿足人類對(duì)能源的需求，并減少對(duì)傳統(tǒng)化石燃料的依賴。為了了解這些裝置的運(yùn)行原理，首先需要知道自然能源的機(jī)械能量。地球表面約70%是海洋，每年約有約440萬立方千米的水因太陽輻射能蒸發(fā)到大氣中（圖1）。這個(gè)數(shù)量相當(dāng)于海洋表面降低約1.26米的水位，但是由于海上會(huì)下雨，并且陸地上的降水也會(huì)通過河流流入海洋，使海洋的水位保持平衡。
此外，當(dāng)空氣受到太陽熱量加熱時(shí)，在高緯度和低緯度之間的對(duì)流層（如圖2所示）會(huì)發(fā)生大規(guī)模的大氣環(huán)流。在高緯度地區(qū)，對(duì)流層的厚度約為6千米，而在低緯度地區(qū)則約為18千米。大氣環(huán)流的唯一驅(qū)動(dòng)力是陽光。由于地球自轉(zhuǎn)，在重力、阿基米德推力和科里奧利力的約束下，赤道和兩極之間的溫差導(dǎo)致大氣在地球周圍運(yùn)動(dòng)。這種由熱帶地區(qū)信風(fēng)驅(qū)動(dòng)的全球尺度的環(huán)流在每個(gè)半球都有一個(gè)明確的結(jié)構(gòu)：三個(gè)經(jīng)圈環(huán)流與五個(gè)緯向風(fēng)帶相聯(lián)系，包括赤道附近的弱的低層?xùn)|風(fēng)帶，以及在每個(gè)半球的兩個(gè)西風(fēng)帶，一支是南北緯60°附近的高層極鋒急流，另一支是南北緯30°附近的高層副熱帶急流（其速度慢于極鋒急流）。在這些大氣運(yùn)動(dòng)過程中，這些氣團(tuán)輸送并重新分配陸地上的熱量和海洋蒸發(fā)產(chǎn)生的水汽。
2022年6月國家發(fā)展改革委、國家能源局等九部門近日聯(lián)合印發(fā)的《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》明確提出，以沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)為重點(diǎn)，加快建設(shè)黃河上游、河西走廊等七大陸上新能源基地；重點(diǎn)建設(shè)山東半島、長三角、閩南等五大海上風(fēng)電基地集群；重點(diǎn)部署城鎮(zhèn)屋頂光伏行動(dòng)、“光伏+”綜合利用行動(dòng)等九大行動(dòng)。我國的風(fēng)電分布如下圖3所示，風(fēng)能資源豐富和較豐富的地區(qū)主要分布在兩個(gè)大帶里。第一是三北（東北、華北、西北）地區(qū)豐富帶；第二是沿海及其島嶼地豐富帶。具有較大的風(fēng)能資源省份有：內(nèi)蒙古、新疆、黑龍江、甘肅等。同時(shí)，阿拉山口、達(dá)坂城和輝騰格勒等地區(qū)的可利用小時(shí)數(shù)達(dá)到了5000h，除此之外東部部分沿海區(qū)域高風(fēng)功率密度區(qū)域也是較為理想的風(fēng)電場建設(shè)區(qū)域。
在日本各島的地表附近，夏季時(shí)北太平洋高壓會(huì)帶來來自東南方向的風(fēng)，冬季時(shí)西伯利亞高壓會(huì)帶來來自西北方向的季節(jié)風(fēng)。這些風(fēng)會(huì)在海上形成風(fēng)浪。在周圍存在著小規(guī)模的空氣環(huán)流，除了季節(jié)風(fēng)外，還有海陸風(fēng)、低壓和高壓引起的風(fēng)、臺(tái)風(fēng)和地區(qū)性局地風(fēng)等。可以利用這些風(fēng)力進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電。我們印象中日本的風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)應(yīng)該很發(fā)達(dá)，但事實(shí)上并非如此，在日本，風(fēng)力發(fā)電不像在西方國家和中國那么受歡迎。其原因是日本的地震和臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害比較多，建造抗臺(tái)風(fēng)抗震的風(fēng)力機(jī)比歐美和中國造價(jià)更高，而且經(jīng)常刮大風(fēng)，以及很難獲得足夠的土地來安裝大量的風(fēng)機(jī)，因此日本電力企業(yè)不愿涉足風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目，但地方政府和市民團(tuán)體的熱情卻很豐富。此外，由于日本有許多河流并且被大海包圍，因此可以使用河流等進(jìn)行水力發(fā)電，并且日本還一直著重于研究通過海上波浪能進(jìn)行波浪發(fā)電（圖4），潮汐能發(fā)電以及地?zé)崮馨l(fā)電（圖5）。（以上自然能源發(fā)電方式之后有時(shí)間寫文章詳細(xì)介紹）
風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以根據(jù)其轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向的關(guān)系分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，如圖6所示。根據(jù)驅(qū)動(dòng)原理，可以將其分類為氣動(dòng)升力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)和氣動(dòng)阻力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
氣動(dòng)提升型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片形狀類似翼型，當(dāng)受到風(fēng)的作用時(shí)，在與風(fēng)向垂直的方向上產(chǎn)生升力，并且同時(shí)產(chǎn)生阻力，這些力的合力使風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力。另一方面，氣動(dòng)阻力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)利用作用在與風(fēng)向垂直的面上的阻力來提供旋轉(zhuǎn)力（圖7所示）。
本文只介紹風(fēng)電場上用的螺旋槳式風(fēng)力機(jī)(propeller type wind turbine)，由圖8所示，風(fēng)力渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分由葉片組成，葉片旋轉(zhuǎn)以吸收風(fēng)中的能量。它由一個(gè)輪轂和一個(gè)軸組成，將葉片固定在轉(zhuǎn)子軸上，整體稱為風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。通常情況下，螺旋槳式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片數(shù)量為2至3片。為了使轉(zhuǎn)動(dòng)面與風(fēng)向正對(duì)，需要進(jìn)行定向控制，其對(duì)風(fēng)向變化的追隨性較垂直軸型風(fēng)力發(fā)電機(jī)較差，但通過增加塔高，可以實(shí)現(xiàn)高功率的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。為了減小空氣動(dòng)力學(xué)損失，螺旋槳的扭曲通常在葉片安裝部分較大，而在末端較小。
根據(jù)伯努利方程中的動(dòng)能項(xiàng)可將單位時(shí)間內(nèi)流動(dòng)的流體質(zhì)量流量表示為G［kg/s］，流速表示為v［m/s］，其運(yùn)動(dòng)能量為Gv2/2。因此，根據(jù)圖9所示，當(dāng)在風(fēng)速為v［m/s］的風(fēng)中設(shè)置風(fēng)車葉片的受風(fēng)面積又叫做掃過面積(swept area)為A[m2]時(shí)，風(fēng)力能量E[W]可以用式1表示。
這里的ρ表示空氣的密度（kg/m3）。當(dāng)風(fēng)通過風(fēng)車轉(zhuǎn)子時(shí)，由于葉片的阻力，風(fēng)速會(huì)降低。但在這里，我們考慮的是風(fēng)速不變的理想情況。根據(jù)式(1)，可以得知風(fēng)力能量與受風(fēng)面積成正比，與風(fēng)速的立方成正比。根據(jù)這一點(diǎn)，選擇能夠獲得盡可能穩(wěn)定且較高的風(fēng)速的位置在建設(shè)風(fēng)機(jī)時(shí)非常重要。單位時(shí)間內(nèi)單位受風(fēng)面積所接收的風(fēng)能量E/A [W/m2]被稱為風(fēng)力能量密度，通過對(duì)式(1)進(jìn)行變換，可以得到以下公式：
由于空氣中含有水蒸氣，在這里假設(shè)水蒸氣對(duì)空氣密度的影響很小，可以忽略不計(jì)。因此，空氣的密度ρ [kg/m3]可以通過氣體狀態(tài)方程式來計(jì)算。設(shè)大氣壓力為p [Pa]，氣溫為絕對(duì)溫度T [K]，那么計(jì)算公式為：
這個(gè)公式描述了空氣密度與大氣壓力和氣溫之間的關(guān)系。根據(jù)這個(gè)公式，我們可以通過測量大氣壓力和氣溫來計(jì)算空氣密度。在考慮風(fēng)力發(fā)電或其他與空氣密度有關(guān)的應(yīng)用時(shí)，準(zhǔn)確估計(jì)空氣密度是很重要的，因?yàn)樗苯佑绊懙侥芰康霓D(zhuǎn)換和性能預(yù)測。在這里，R是空氣的氣體常數(shù)（等于287.2 J/[ kg·K]）。取全國風(fēng)電場的平均值，當(dāng)假設(shè)氣壓為1大氣壓、溫度為15度時(shí)，可以使用p=1.013×105 [Pa]和T=288.15 [K]來計(jì)算，得到ρ=1.224 kg/m3。利用這個(gè)值，可以求得式(2)中風(fēng)速和風(fēng)力能量密度的關(guān)系，如圖10中的虛線所示。
然而，不可能將風(fēng)能的全部傳遞給風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在理論上，由圖11所示的貝茲定律(Betz' Law，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率極限定律，之后有詳細(xì)推導(dǎo)）可知，風(fēng)能中向風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳遞的比例最大為59.3%。（圖10中的實(shí)線表示基于這個(gè)比例計(jì)算的理想風(fēng)力發(fā)電機(jī)的能量密度。從圖10中可以看出，能量密度與風(fēng)速之間有很大的依賴關(guān)系。）
吹在地球上的風(fēng)并不均勻，它們的速度隨著與地球表面的距離而變化，并隨時(shí)間波動(dòng)。因此，雖說可以根據(jù)式(2)計(jì)算風(fēng)力的能量，但實(shí)際情況下還要根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r計(jì)算。地球表面附近的風(fēng)速受到地形、地表摩擦、大氣條件等因素的影響，從而導(dǎo)致風(fēng)速的變化。通常情況下，地表附近的風(fēng)速較低，而隨著升高，風(fēng)速逐漸增大。這種垂直方向上的風(fēng)速變化可以用風(fēng)切變來描述。風(fēng)切變表示單位距離內(nèi)的風(fēng)速變化率。
此外，風(fēng)速還會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化。天氣系統(tǒng)的演變、氣壓的變化以及地球自轉(zhuǎn)等因素會(huì)導(dǎo)致風(fēng)速的周期性變化。例如，白天和夜晚的風(fēng)速可能不同，季節(jié)的變化也會(huì)影響風(fēng)的強(qiáng)度和方向。為了處理這些變化，氣象學(xué)和相關(guān)領(lǐng)域使用觀測數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型來描述和預(yù)測風(fēng)的變化。通過觀測風(fēng)速和風(fēng)向的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并結(jié)合氣象模型的預(yù)報(bào)，可以更好地理解和預(yù)測風(fēng)的特征和變化。其次，地表粗糙度和地形地貌是影響風(fēng)速分布的重要因素。地表粗糙度指的是地表的粗糙程度，如草地、森林、城市建筑等。地表粗糙度較高的區(qū)域會(huì)使得風(fēng)通過時(shí)受到更大的阻力，從而降低風(fēng)速。相比之下，地表粗糙度較低的區(qū)域（如平坦的水域）則會(huì)有較高的風(fēng)速。
如圖13所示，從地表到大約100米高度的區(qū)域被稱為地表邊界層。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，垂直高度h處的風(fēng)速v可以用以下式(4)的指數(shù)法則來表示：
在上述公式中，v1表示高度h1處的風(fēng)速。此外，公式中的n值根據(jù)地表?xiàng)l件（例如城市、草原等）決定，如表1所示。圖13展示了n取2、4、7、10時(shí)的風(fēng)速分布的定性形狀。與城市中心附近地表的高度變化相比，海面附近的風(fēng)速變化較小。
考慮到這些因素，風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目的選址需要綜合考慮地表粗糙度、地形地貌以及實(shí)際需求，選擇具有穩(wěn)定且適宜的風(fēng)速分布的地點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電設(shè)施的安置。此外，在具體的風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目中，還需要進(jìn)行詳細(xì)的風(fēng)資源評(píng)估和測量，以了解特定區(qū)域的風(fēng)速分布情況，并根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。需要注意的是，指數(shù)法則是對(duì)一般情況下的風(fēng)速分布的近似描述，不同地表?xiàng)l件下的n值可能會(huì)有所不同，實(shí)際情況可能受到地理和氣象條件的影響而有所不同。地理?xiàng)l件、氣候和季節(jié)變化等因素都可能對(duì)風(fēng)速分布產(chǎn)生影響，因此在具體情況下需要進(jìn)行實(shí)地觀測和測量，以了解特定地區(qū)的風(fēng)速特征。根據(jù)具體地區(qū)的地表?xiàng)l件，選擇相應(yīng)的n值進(jìn)行風(fēng)速分布的估算。同時(shí)，海洋環(huán)境下的風(fēng)速分布相對(duì)較為均勻，因?yàn)楹Ｑ鬀]有類似城市等建筑物的摩擦影響，所以高度變化對(duì)風(fēng)速的影響較小。總之，風(fēng)速分布的形狀和變化受到多種因素的影響，包括地表?xiàng)l件、海陸位置、地形地貌等。準(zhǔn)確估算特定地區(qū)的風(fēng)速分布需要考慮這些因素，并選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ秃蛥?shù)進(jìn)行分析。
風(fēng)速是具有持續(xù)變化的，它在時(shí)間上不是恒定的。因此，通常使用統(tǒng)計(jì)平均來表示風(fēng)速，該平均值是在數(shù)秒至數(shù)年的時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)風(fēng)速瞬時(shí)值進(jìn)行平均計(jì)算得到的。在特定時(shí)間點(diǎn)的平均風(fēng)速中，通常使用正點(diǎn)前10分鐘的平均值（10分鐘平均風(fēng)速）。對(duì)于較長時(shí)間段，會(huì)使用月平均風(fēng)速和年平均風(fēng)速。這種平均風(fēng)速的使用可以提供更穩(wěn)定和可靠的風(fēng)速數(shù)據(jù)，以更好地評(píng)估和規(guī)劃風(fēng)能利用等相關(guān)應(yīng)用。不同時(shí)間尺度上的平均風(fēng)速可以提供不同的信息，適用于不同的研究和決策需求。需要注意的是，平均風(fēng)速是對(duì)風(fēng)速變化的統(tǒng)計(jì)描述，仍然可能存在一定的波動(dòng)和變化。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，還需要結(jié)合風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)特征和其他氣象要素進(jìn)行綜合分析和判斷。如果將風(fēng)速作為橫軸，瞬時(shí)風(fēng)速的頻率作為縱軸，那么風(fēng)速分布的形狀會(huì)呈現(xiàn)出左右非對(duì)稱性，弱風(fēng)速的頻率較大于平均風(fēng)速。為了用數(shù)學(xué)公式描述這種頻率分布，提出了幾種函數(shù)形式。在這里，我們使用經(jīng)常用于估計(jì)風(fēng)速發(fā)生率的瑞利（Rayleigh）分布f(u)[s/m]，其公式如下：
v(-)表示平均風(fēng)速。瑞利分布在風(fēng)能研究中常被用于模擬和分析風(fēng)速的概率分布，它能夠較好地描述實(shí)際風(fēng)速分布中的特征。需要注意的是，實(shí)際風(fēng)速分布可能受到多種因素的影響，如地理?xiàng)l件、季節(jié)變化、氣候類型等。因此，在具體應(yīng)用中，還需結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)和地區(qū)特征進(jìn)行分析和推斷，以獲得更準(zhǔn)確的風(fēng)速分布信息。
圖14是基于式5計(jì)算的在4~8m/s范圍內(nèi)的瑞利分布的平均風(fēng)速分布。如果已知某地的平均風(fēng)速，那么可以計(jì)算出任意風(fēng)速范圍vi±?v/2 [m/s]的出現(xiàn)概率為F(vi)=f(vi)×?v，其中f(vi)是瑞利分布函數(shù)的值。利用這個(gè)出現(xiàn)概率F(vi)，可以計(jì)算出風(fēng)速vi在一年中的出現(xiàn)時(shí)間為8760×F(vi) [h]。因此，如果將風(fēng)速vi下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電功率表示為P(vi) [W]，則年發(fā)電量Py [Wh]可以表示為：
這個(gè)公式可以用來估算在特定風(fēng)速條件下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的年發(fā)電量。需要注意的是，該公式是基于平均風(fēng)速和瑞利分布假設(shè)，并不考慮其他因素（如風(fēng)向變化、風(fēng)能利用效率等）。實(shí)際應(yīng)用中，還需要綜合考慮這些因素，并結(jié)合具體的風(fēng)力發(fā)電機(jī)特性和系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行更精確的計(jì)算和評(píng)估。
然而，風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要達(dá)到一定的風(fēng)速（切入風(fēng)速）才能開始發(fā)電，并且為了安全起見，在風(fēng)速超過一定閾值（切出風(fēng)速）時(shí)會(huì)停止發(fā)電(圖15所示)。在使用式6進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要考慮切入風(fēng)速和切出風(fēng)速之間的風(fēng)速范圍。一般來說，切入風(fēng)速約為2.5~4 m/s，切出風(fēng)速約為25 m/s左右。需要注意的是，額定輸出功率為900 W的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)可能具有0.7 m/s的切入風(fēng)速和7 m/s的切出風(fēng)速。風(fēng)機(jī)空氣動(dòng)力的效率轉(zhuǎn)換 剛才說風(fēng)力發(fā)電有很多的能量損失，在此只解釋將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)力并產(chǎn)生電力時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)上的損失效率。首先，根據(jù)貝茲極限理論，計(jì)算風(fēng)機(jī)能夠提取的能量的極限值。假設(shè)風(fēng)機(jī)的葉片數(shù)無限，并假定其受風(fēng)面積為A的圓盤狀風(fēng)車轉(zhuǎn)子。考慮到遠(yuǎn)離圓盤的上游面（I-I）和下游面（Ⅱ-Ⅱ）的斷面積分別為A1和A2的檢測區(qū)域，如圖16所示。將I-I面和Ⅱ-Ⅱ面的風(fēng)速和壓力分別表示為v1、p0和v2、p0，另外，將通過風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)領(lǐng)域的風(fēng)速表示為v0，并將其前后的壓力分別表示為p0+和p0-。
由于根據(jù)流體動(dòng)量守恒定律，檢查區(qū)域的流入和流出動(dòng)量差等于作用在風(fēng)力渦輪機(jī)上的力F，因此應(yīng)用以下公式。
由連續(xù)方程可得 v1A1=v2A2，因此上述方程可以轉(zhuǎn)換為以下方程。
I-I到O-O表面，以及O-O到II-II表面之間由伯努利方程可得
此外，由于作用在風(fēng)力機(jī)葉片上的力F前后之間的壓差為p0+，p0-
然后，將方程式8和連續(xù)方程v0A=v2A2代入上述方程，得到通過風(fēng)機(jī)的風(fēng)速v0如下。
由于風(fēng)車轉(zhuǎn)子的輸出P[W]由Fv0得到，通過式13，式14可得式15
如果減速比定義為a = v2/v1，則式15可以表示為以下等式。
由于風(fēng)車接收的總風(fēng)能為方程式1中的E=pv1^3A/2，因此風(fēng)力渦輪機(jī)的理論效率如下。
最大理論效率ηmax可通過dηth/da=0求得。當(dāng)a=1/3時(shí)，ηmax=16/27=0.593。圖17表示了減速比a與風(fēng)車?yán)碚撔手g的關(guān)系。將式14代入a=v2/v1=1/3，我們可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)通過風(fēng)車轉(zhuǎn)子的風(fēng)速為v0=(2/3)v1時(shí)，理論效率達(dá)到最大。
風(fēng)車可以從自然風(fēng)中提取的輸出比率稱為功率系數(shù)(power coefficient)Cp，由以下等式定義。
在這里，P表示風(fēng)速v中安裝的風(fēng)車的實(shí)際輸出（以瓦特為單位），A表示風(fēng)車的受風(fēng)面積（以平方米為單位）。風(fēng)車的效率可以通過使用輸出系數(shù)進(jìn)行評(píng)估，輸出系數(shù)通常為翼型相關(guān)，大約為0.50左右的值。此外，作為與風(fēng)力渦輪機(jī)性能相關(guān)的系數(shù)，風(fēng)力渦輪機(jī)葉片尖端的速度與風(fēng)速v的比值叫周速比(tip speed ratio)，由以下公式表示。
在這里，ω表示轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度［rad/s］，R表示轉(zhuǎn)子半徑[m]，n表示風(fēng)車的旋轉(zhuǎn)速度[rps]。對(duì)于升力型風(fēng)車，存在由葉片表面產(chǎn)生的升力成分引起的旋轉(zhuǎn)力矩；對(duì)于阻力型風(fēng)車，存在由阻力成分引起的旋轉(zhuǎn)力矩。這些力矩構(gòu)成了風(fēng)車的轉(zhuǎn)矩。實(shí)際獲得的風(fēng)車扭矩為TQ [Nm]，扭矩系數(shù)（torque coefficient）CT可以用以下公式表示。
這里，A和R分別是接收面積和轉(zhuǎn)子半徑。要確定實(shí)際風(fēng)車的輸出系數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)或許會(huì)得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。圖18和圖18分別表示了各種風(fēng)車的周速比λ和轉(zhuǎn)矩系數(shù)CT之間的關(guān)系，以及周速比和輸出系數(shù)CP之間的關(guān)系。升力型風(fēng)車的螺旋槳形式具有較低的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，但相應(yīng)地，周速比和輸出系數(shù)相對(duì)于其他類型的風(fēng)車而言較大。因此，螺旋槳型風(fēng)車適用于低轉(zhuǎn)矩高速旋轉(zhuǎn)的發(fā)電。另一方面，薩瓦尼斯型和多葉片型的風(fēng)車具有較小的輸出系數(shù)，但具有較大的轉(zhuǎn)矩系數(shù)。
風(fēng)機(jī)的其他效率轉(zhuǎn)換 在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率是一個(gè)重要因素。實(shí)際上，風(fēng)力發(fā)電機(jī)無法將風(fēng)能的全部轉(zhuǎn)化為電能，存在一定的損耗（圖20）。該損耗包括機(jī)械摩擦、發(fā)電機(jī)效率、傳輸和變換損耗等。因此，實(shí)際的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的能量密度要比理論值低。
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體效率可以表示為各個(gè)組成部分的效率的乘積，以下是與風(fēng)力發(fā)電相關(guān)的各種效率： 捕捉風(fēng)能效率：表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠捕捉到的風(fēng)能與實(shí)際存在的風(fēng)能之間的比例。它受到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和槳葉的性能影響，但是最高效率不會(huì)超過貝茲定律極限的59.3%。 傳輸效率：表示從風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳葉傳遞到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力的損耗情況。這受到傳動(dòng)系統(tǒng)（如齒輪箱）的效率影響。 發(fā)電機(jī)效率：表示發(fā)電機(jī)將旋轉(zhuǎn)動(dòng)力轉(zhuǎn)化為電能的能力。它取決于發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和內(nèi)部損耗。 變流器效率：對(duì)于直流風(fēng)力發(fā)電機(jī)，變流器將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電。變流器的效率影響了最終輸送到電網(wǎng)的電能損耗情況。
由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體效率可以表示為上述各個(gè)環(huán)節(jié)的效率乘積，而且每個(gè)環(huán)節(jié)的效率都會(huì)受到技術(shù)設(shè)計(jì)、材料質(zhì)量和運(yùn)行條件等因素的影響。不同的風(fēng)力發(fā)電機(jī)型號(hào)和組件可能具有不同的效率特點(diǎn)。因此，在設(shè)計(jì)和運(yùn)營風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，需要綜合考慮各個(gè)環(huán)節(jié)的效率并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理的估計(jì)和計(jì)算，以提高系統(tǒng)整體的能量轉(zhuǎn)換效率。圖21表示了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中各元件的效率。在風(fēng)力發(fā)電中，通過齒輪箱將風(fēng)車轉(zhuǎn)速增加，并將其傳遞給發(fā)電機(jī)，因此每個(gè)元件都會(huì)導(dǎo)致能量損失。因此，風(fēng)車的效率（輸出系數(shù)）記為CP，齒輪箱的效率記為ηgb，發(fā)電機(jī)的效率記為ηg，下面關(guān)系成立。
在這里，E、P、Pgb和Pg分別表示單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)通過受風(fēng)面積的動(dòng)能、風(fēng)車的輸出、齒輪箱的輸出和實(shí)際獲得的電力。根據(jù)式21~23，電力Pg [W]可以表示為：
每個(gè)組件的效率乘積等于發(fā)電系統(tǒng)的整體效率。
在槳葉型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，為了提高效率，有以下方法：選擇適當(dāng)?shù)?/strong>風(fēng)能資源地點(diǎn)：選擇具有穩(wěn)定的風(fēng)能資源的地點(diǎn)，例如海岸線、山區(qū)或高原地區(qū)，這樣可以提高風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率。 優(yōu)化風(fēng)電場布局：合理規(guī)劃風(fēng)電場的布局，避免機(jī)組之間的阻擋和干擾，最大程度地利用風(fēng)能資源。 優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)：改進(jìn)風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)，包括葉片形狀、軸高度、發(fā)電機(jī)效率等方面。通過減小風(fēng)阻、提高風(fēng)能利用率等方式，可以提高發(fā)電效率。這種方法是為了將葉片效率無限靠近貝茲理論極限59.3%，完全達(dá)到59.3%難度很大，而現(xiàn)在的風(fēng)機(jī)效率已經(jīng)很高，在繼續(xù)優(yōu)化成本很大，收益很小。此外，還采用了可變槳葉角度（俗稱“可變Pitch”）的設(shè)計(jì)，根據(jù)風(fēng)況可以調(diào)整槳葉的安裝角度。最后還可采用了能夠適應(yīng)廣泛轉(zhuǎn)速范圍的發(fā)電機(jī)，通過提高發(fā)電機(jī)端的電壓，減少輸電損失，從而提高發(fā)電效率。 提高風(fēng)電機(jī)組的可靠性：通過改進(jìn)風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)和材料，增強(qiáng)其抗風(fēng)能力和耐久性，降低故障率，提高發(fā)電效率和可靠性。 制定有效的運(yùn)維策略：建立定期檢查、維護(hù)和保養(yǎng)風(fēng)電機(jī)組的計(jì)劃，確保機(jī)組的正常運(yùn)行和高效發(fā)電。 應(yīng)用智能化技術(shù)：利用智能化技術(shù)，如遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析和預(yù)測等，對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采取措施，提高效率。 利用儲(chǔ)能技術(shù)：結(jié)合儲(chǔ)能技術(shù)，如電池、超級(jí)電容器等，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為可靠的電力供應(yīng)，提高風(fēng)電的可調(diào)度性和可靠性。儲(chǔ)能技術(shù)也是自然能源的核心技術(shù)，無論水電還是風(fēng)電，無法像火電一樣認(rèn)為控制，發(fā)出來的電如果不立刻利用，只能浪費(fèi)掉，因此，儲(chǔ)能技術(shù)就是自然能源發(fā)展的最大屏障。現(xiàn)在水電可以通過建造上下水庫來儲(chǔ)能，而風(fēng)電還沒有很好的儲(chǔ)能方案。（之后會(huì)單獨(dú)寫文章來介紹儲(chǔ)能技術(shù)） 不斷創(chuàng)新和研發(fā)：加大對(duì)風(fēng)能技術(shù)的研究和開發(fā)投入，推動(dòng)風(fēng)電技術(shù)的創(chuàng)新，提高發(fā)電效率和成本效益。
為了有效地收集風(fēng)能，還提出了類似圖22所示的風(fēng)聚焦裝置（lens風(fēng)車），將其安裝在槳葉旋轉(zhuǎn)面的外周沿線。通過在小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上安裝風(fēng)聚焦裝置，可以有效地捕捉風(fēng)力。在論文等中，它有時(shí)被稱為邊緣擴(kuò)散器。裝有風(fēng)聚焦裝置的風(fēng)車稱為“ windlens風(fēng)車”、“l(fā)ens風(fēng)車”或“ frimed diffuser風(fēng)車”。它是由九州大學(xué)應(yīng)用力學(xué)研究所的大屋裕二教授等人開發(fā)的。
lens風(fēng)車的優(yōu)點(diǎn) lens風(fēng)車的優(yōu)點(diǎn)如下
風(fēng)力渦輪機(jī)可以做得很緊湊 通過集中風(fēng)力發(fā)電，將實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)類型多2至3倍的發(fā)電量。 風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)自動(dòng)轉(zhuǎn)向逆風(fēng)（被動(dòng)偏航）。 由于尖端渦流被抑制，噪音降低了。 由于風(fēng)鏡能見度好，鳥擊事件減少。 刀片破損時(shí)安全性高。 通過在透鏡表面應(yīng)用金屬網(wǎng)來減少多普勒雷達(dá)干擾。 由于可以在鏡頭上安裝避雷針，雷擊時(shí)電流可以避開葉片和發(fā)電機(jī)，提高了抗雷擊能力。
lens風(fēng)車的結(jié)構(gòu)及工作原理
lens風(fēng)車由一個(gè)從進(jìn)氣口擴(kuò)展到出氣口的擴(kuò)散器和一個(gè)圍繞出氣口的邊緣組成。如圖23所示，入口稍微加寬作為進(jìn)風(fēng)口。傳統(tǒng)上風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)盡量減少對(duì)流體的阻力和渦流的產(chǎn)生，但是lens風(fēng)車通過在擴(kuò)散器后面形成渦流，從而降低壓力導(dǎo)致入口附近的風(fēng)速增加，由式1可知，發(fā)電量與風(fēng)速的三次方成正比，因此可以將效率提高 2 到 5 倍。
lens風(fēng)車發(fā)展之初，采用比較長、邊緣較大的擴(kuò)散器，實(shí)現(xiàn)了4-5倍的出力提升。然而，這樣做的缺點(diǎn)是風(fēng)鏡結(jié)構(gòu)本身重量大，導(dǎo)致lens風(fēng)車承受的風(fēng)荷載大，從而增加了風(fēng)車的體積。近年來，更輕、更薄的環(huán)形風(fēng)力渦輪機(jī)相繼問世，與相同轉(zhuǎn)子直徑的傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機(jī)相比，它們的輸出功率也增加了一倍多。圖24是九州大學(xué)的最新研究成果，通過多組風(fēng)機(jī)組合達(dá)到效率輸出最大化。這種5環(huán)風(fēng)車安裝在佐賀縣唐津市（圖25所示）。
問題共同點(diǎn)： 地點(diǎn)選擇：兩國都面臨地理?xiàng)l件限制，適合風(fēng)力發(fā)電的地區(qū)有限。山地、城市密集區(qū)和環(huán)境保護(hù)區(qū)等地形和土地利用限制了風(fēng)力發(fā)電設(shè)施的建設(shè)。 電力系統(tǒng)整合：風(fēng)力發(fā)電的波動(dòng)性使得其與電力系統(tǒng)的整合成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)。需要調(diào)整和預(yù)測技術(shù)來平衡風(fēng)力發(fā)電的波動(dòng)性，以確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。 環(huán)境影響：兩國都需要考慮風(fēng)力發(fā)電對(duì)野生動(dòng)植物和生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響。風(fēng)力發(fā)電設(shè)施可能對(duì)候鳥遷徙、鳥類和蝙蝠等野生動(dòng)物的棲息地造成干擾，需要進(jìn)行環(huán)境評(píng)估和保護(hù)措施。 社會(huì)接受度：風(fēng)力發(fā)電的建設(shè)可能面臨來自土地所有者和周邊居民的反對(duì)。人們可能擔(dān)心風(fēng)力發(fā)電設(shè)施對(duì)景觀、噪音和生活質(zhì)量的影響，需要進(jìn)行公眾參與和溝通。
不同點(diǎn)： 規(guī)模差異：中國是世界上最大的風(fēng)力發(fā)電市場，擁有大規(guī)模的風(fēng)電項(xiàng)目。相比之下，日本的風(fēng)力發(fā)電規(guī)模較小，由于地理?xiàng)l件和土地限制，發(fā)展空間有限。 發(fā)展階段：中國在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和市場方面已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，具備自主研發(fā)和制造能力。而日本在技術(shù)和市場方面仍處于較初級(jí)階段，對(duì)外依賴較大。 政策支持：中國政府長期以來一直支持風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展，并實(shí)施了一系列的政策措施和激勵(lì)機(jī)制。日本政府也在近年來加大了對(duì)可再生能源的支持力度，但仍需進(jìn)一步提供穩(wěn)定和可預(yù)測的政策環(huán)境。
總體而言，中國在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的規(guī)模和技術(shù)成熟度上具有較大優(yōu)勢，而日本則面臨更多的地理和社會(huì)限制，發(fā)展相對(duì)較慢，但兩國都在努力解決共同的問題以推動(dòng)可持續(xù)的風(fēng)力發(fā)電發(fā)展。
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