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風能與風功率

風功率與風壓一團質量為m的空氣以速度v運動，它所具有的動能

（1）設一個垂直于風向的平面，面積為S，見圖1圖1

風速與截風面積單位時間通過該平面的空氣質量m為

ρ是空氣密度

標準狀態下ρ=1.2928kg/m3

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

（2）可見同樣面積下風功率的增加是按風速增加的三次方倍增加，例如，對于1平方米風速為5米時的風功率為75W，當風速為10米時的風功率為600W。

空氣在1秒時間里通過單位面積的動能也稱為“風能密度”，在此風能密度

“風壓”就是垂直于氣流方向的平面所受到的風的壓力，在計算風力機載荷時需要參考。風壓以單位面積上的風的動壓來表示：

（3）可見風壓的增加是按風速增加的二次方倍增加。根據國家標準，把風力發電機組的分為5級，按年平均風速10m/s、8.5m/s、7.5m/s、6m/s四種風速和特殊設計風速一個（本處設為13m/s），我們再增加停機風速20m/s和起動風速3m/s共七個風速來計算單位面積（每平方米）的風功率與風壓，計算所得數據填于下表：表1

風速、風功率、風壓對照表

風力發電機的效率圖2

水平軸風力機的掃風面積圖3是一個四葉片的H型升力垂直軸風力發電機的掃掠面積示意圖。圖3

垂直軸風力機的掃風面積

根據前面兩表可由所需發電功率估算出風力機所需的掃風面積，例如200W的升力型垂直軸風力發電機工作風速為6m/s，全效率按25%計算所需掃風面積約為6.2m2,如果工作風速為10m/s則所需掃風面積約為1.4m2即可；例如10kW的升力型垂直軸風力發電機工作風速為10m/s，全效率按30%計算所需掃風面積約為56m2,如果工作風速為13m/s則所需掃風面積約為25m2即可。按高風速設計的風力機體積小成本相對低些，但必須用在高風速環境，例如把一臺設計風速為10m/s的風力機放在風速為6m/s的環境工作，其功率會下降80%；按風速6m/s設計的風力機風輪會很大，雖在6m/s時運行很好，但遇大風易超速損壞電機，為抗強風時需增加結構強度使成本大大增加。風力機的工作風速范圍選擇要適當，既要在較寬的風速范圍內高效安

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