【風電科普】貝茲理論告訴你：百分百轉換風能是白日夢（警告：內有大量公式打開需謹慎）

　　引言：小編的老領導曾經對小編說過，想要做好一個行業(yè)的記者就要先了解這個行業(yè)，成為專家型的記者，否則寫出去的東西一知半解只會被讀者看笑話。如今已經過了一年的時間，小編雖然還不是專家型記者，但還是有一定的行業(yè)基礎知識和理論概括能力，本期為大家介紹貝茲理論與風力發(fā)電的關系。

　　人們總想將風能轉換率提高，然而想要100%的轉換風能是不可能的，貝茲理論將會解答這是為什么。

　　什么是貝茲理論

　　貝茲理論：理想情況下風能所能轉換成電能的極限比值為16/27 約為59.3% 。

　　貝茲理論是研究風力發(fā)電學科中相關風能利用效率最基本的理論，該理論是德國的物理學家 Albert Betz 于 1919 年提出。貝茲理論是建立在一個假定“理想風輪”的基礎之上——即風機能接受通過風輪的流體的所有動能，且流體無阻力，流體是連續(xù)的、不能壓縮的流體。

　　推導過程如下：

　　v1 - 進入風速

　　v2 - 殘余風速

　　p - 空氣密度

　　F - 葉片掃風面積

　　P - 轉換的動能

　　P0 - 風的初始動能

　　則葉片處單位時間內通過的風的質量 M = p*F*(v1+v2 )/2 -----式1

　　根據(jù)牛頓第二定律，葉片吸收的動能等于風殘余動能與風初始動能之差，于是得到：

　　P = (1/2)*M*(v1^2 - v2^2)-----式2

　　將式1代入式2得到：

　　P = (p/4)*(v1^2 - v2^2)*(v1+v2)*F

　　由風能的基本計算公式可知

　　P0 = (p/2)* v1^3*F

　　則有：

　　P/P0 = (1/2)*(1-(v2/v1)^2)*(1+(v2/v1))

　　由此可見 P/P0 為 v2/v1 的二次函數(shù)

　　當 v2/v1 = 1/3 時

　　P/P0 為最大值 16/27

　　為什么無法達到100%的利用

　　如果風中全部的能量，在通過葉輪的時候被 100% 轉化為機械能，那么風就不會再吹，通過葉片的空氣風速降為0。這就意味著空氣會在葉片后面阻滯聚集，也就沒有后續(xù)流動的空氣來推動葉片，產生能量了。

　　再通俗些講，若風的動能全部被葉片吸收，葉片后方空氣與前方空氣雙方氣壓持平，好比一群人進旋轉門，剛通過的人筋疲力盡無法繼續(xù)前行（風通過葉片100%動能轉換），因此門外面的人由于前面的阻礙也無法前行（后面的風無法繼續(xù)通過葉片），因此葉片就不轉了。

　?。ㄟ@圖小編是套用百度的）

　　當然隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在出現(xiàn)了一些類似于“無葉片風力發(fā)電機”這樣的新產品，貝茲理論是不是依舊適用就不一定了，當然此類有高度問題這些小編還未深入了解，如果有機會小編會在以后的系列中在進行說明。

　　風機利用率與風能利用率

　　風力發(fā)電機組可利用率與風能利用率，這兩個詞讀起來感覺意思很接近，外行人很容易混淆二者。

　　風力發(fā)電機組可利用率如下:

　　可利用率=[1－（A-B）/（8760-B）]×100%

　　其中：8760為全年小時數(shù)； A-表示故障停機小時數(shù)；

　　B-表示非投標人責任的停機小時數(shù)；

　　投標人責任的停機小時數(shù)B包括以下情況：

　　●電網(wǎng)故障（電網(wǎng)參數(shù)在技術規(guī)范范圍之外）；

　　●氣象條件（包括風況和環(huán)境溫度）超出技術規(guī)范規(guī)定的運行范圍；

　　●不可抗力；

　　以上情況如有兩種或者兩種以上同時發(fā)生，只計其中較長一種情況。

　　也就是說風力發(fā)電機組可利用率就是風機建好后，能發(fā)電時間所占全年時間的比率。早期各國的風機利用率并不高也就是在50%左右，但目前隨著世界上風電設備制造強國的不斷發(fā)展，像德國、西班牙、荷蘭、丹麥、美國等各國的風力可利用率從原來的50%提高到98%。

　　而風能利用率所指的便涉及到了上面所提到的貝茲理論，極限約為59.3%。利用率=利用量/總風能量。小編風電企業(yè)的朋友給小編打了個比喻，一個地區(qū)的風能量本身就少的話，利用率再高，也不如風量很大的地區(qū)利用率小點的風機。

　　后記：想要成為專家型記者非常難，小編在整理貝茲理論時不得不認真研究其中涉及的各種要素，但也同時掃除了一些知識盲點，向很多人詢問風電知識，雖然這次僅僅梳理了幾個小問題，但是我們副總編大人曾經說過“科普文生命力很強”。目前風電勢頭正火，借此大行業(yè)趨勢多多普及風電基礎知識，對風電行業(yè)來說還是益處多多的。來自能源網(wǎng)-中國能源報，更多精彩盡在www.cnenergy.org