水平轴风力机的空气动力学与风力发电原理

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1、风能利用基础风能是一种取之不尽、用之不竭、对大气无污染、不破坏生态平衡的自然资源。矿物能源是目前人类社会的主体能源，为人类的文明、进步做出了巨大贡献。但是，矿物能源总是有限的，是不可再生的能源。可以预见，人类在利用矿物能源、推进现代文明的同时，将面临能源与资源枯竭、污染环境、破坏生态平衡等一系列问题。大规模开发利用风能、太阳能等清洁、可再生能源，是人类社会保持长久繁荣和永续发展的重大课题。风的形成风是跟地面大致平行的空气流动，是由于气压分布不均匀产生的。大气是存在于地球周围，包围着地球，自地球表面

2、以上直至数万米范围内的物质。在气象学上，一般把垂直方向的大气运动称为气流，水平方向的大气运动称为风。风是人类最常见的自然现象之一，它们由太阳的热辐射而引起的“空气流动”，所以风能是太阳能的一种表现形式。太阳对地球表面不均衡地加热，造成了大气层中温度差。有温度差就会产生压力差，压力差就使大气运动形成风。当太阳加热地球一面的空气、水面和大地时，地球的另一面通过向宇宙空间的热辐射而冷却，地球每日不停地转动，使其整个表面都轮流经历这种加热和散热的周期变化。由于地球表面轴线相对于太阳的倾斜角度有着季节性的变

3、化，从而造成了地球表面加热能量日常分布的季节性变化。在赤道附近，地球所吸收的太阳能要比两极附近多得多，较轻的热空气在赤道附近上升，并向两极流动；而较重的冷空气作为替代，从两极移向赤道。这就是大气环流运动。在北半球，地球自西向东的自转，使向北流动的空气折而朝东，使向南流动的空气折而朝西。当向北流动的空气到达北纬30°时，它几乎已经折向正东了，因为这种风是从西边吹来的，故称之为“盛行西风”。空气倾向于在北纬30°偏北一点位置上积累起来，造成了这一带地区的高压带和温和的气候，从这个高压地区，一些空气向南

4、流动，并由于地球的自转而被偏折向西，形成了全世界海员所称呼的那种“信风”。信风指在赤道两边的低层大气中，北半球吹东北风，南半球吹东南风，这种风的方向很少改变，也叫做“贸易风”。类似的效应导致了在纬度高于50°地区的“极区东风”。在赤道的南方，地球的自转将向南流动的空气折向朝东，而向北流动的空气折向朝西，故在南半球也有类似的盛行西风、信风和极区东风的情况。全球性气流的模式如图1所示。图1地球大气环流由于陆地的比热比海洋小，所以白天陆地上的气温比海面上的空气温度上升得更快，这样，陆地上较热的空气就膨胀

5、上升，而海面上较冷的空气便流向陆地，以补充上升的热空气，这种吹向陆地的风称为“海风”。在夜间，其风向恰恰相反，因为陆地比海洋冷却得更快，所以陆地上的冷空气流向海面以补充上升的热空气，这种从陆地吹向海洋的风，称之为“陆风”。它在中纬度地区可以从海洋线深入内陆50km多；而在热带地区则可深入内陆远至200km多。海风，陆风的形成过程如图2所示。图2海陆风形成的原因在多山地区也会出现类似的地方性风。白天因为山顶比山谷热得早，所以山顶上的空气变轻上升，山谷里冷而重的空气就沿着山坡流向山顶以补充上升，这种由

6、山谷吹向山顶的风称为“山谷风”。夜间则发生相反的过程，亦即风从山顶吹向山谷。山谷风的形成过程如图3所示。图3山谷风形成的原因风向与风速风是一种矢量，它通常用风向与风速这两个要素来表示。风向风向是由风吹来的方向确定。如果风是从西边吹来的，则称为西风。风向可以由风向标给出，从风向标相对于罗盘方位固定臂的位置，可很容易地看出风的方向。风向必须转动灵活，且要水平安装在四周空旷的地区，通常高出地面10m。观测陆地上的风向，一般采用16个方位（观测海上的风向通常采用32个方位），即以正北为零，顺时针每转过22

7、.5°为一个方位，如图4表示。图4风向的16个方位N——北E——东S——南W——西NE——东北SE——东南SW——西南NW——西北NNE——东北偏北ENE——东北偏东ESE——东南偏东SSE——东南偏南SSW——西南偏南WSW——西南偏西NW——西北偏西NNW——西北偏北风速要用风速仪测量。它表示单位时间内流过的距离，单位是m/s或km/h。由于风速大小变化时而平缓，时而剧烈，于是在实用中就有瞬时风速与平均风速这两个概念。前者可以用风速仪在极短时间（0.5～1.0s）内测得,后者实际上是某一时间间

8、隔内各瞬时风速的平均值,因此就有日平均风速、月平均风速、年平均风速等。国际上把风力等级分为12级。风力等级B与风速V（m/s）的关系为：风速在一天之中都在发生变化。地面上一般是夜间风弱，白天风强；高空却是夜间风强，白天风弱。海拔较高的山顶是白天风弱，夜间风强；沿海地带是白天风强，夜间风弱。风速在一年四季都在发生变化。一年之中由于地球表面高压区、低压区的变动，风的速度与方向也在发生变化。一般来说，夏季的平均风速要比其它季节平均风速低。风速频率，又称风速的重复性，它是指一个月或一年的周