【风电科普】贝兹理论告诉你：百分百转换风能是白日梦（警告：内有大量公式打开需谨慎）

　　引言：小编的老领导曾经对小编说过，想要做好一个行业的记者就要先了解这个行业，成为专家型的记者，否则写出去的东西一知半解只会被读者看笑话。如今已经过了一年的时间，小编虽然还不是专家型记者，但还是有一定的行业基础知识和理论概括能力，本期为大家介绍贝兹理论与风力发电的关系。

　　人们总想将风能转换率提高，然而想要100%的转换风能是不可能的，贝兹理论将会解答这是为什么。

　　什么是贝兹理论

　　贝兹理论：理想情况下风能所能转换成电能的极限比值为16/27 约为59.3% 。

　　贝兹理论是研究风力发电学科中相关风能利用效率最基本的理论，该理论是德国的物理学家 Albert Betz 于 1919 年提出。贝兹理论是建立在一个假定“理想风轮”的基础之上——即风机能接受通过风轮的流体的所有动能，且流体无阻力，流体是连续的、不能压缩的流体。

　　推导过程如下：

　　v1 - 进入风速

　　v2 - 残余风速

　　p - 空气密度

　　F - 叶片扫风面积

　　P - 转换的动能

　　P0 - 风的初始动能

　　则叶片处单位时间内通过的风的质量 M = p*F*(v1+v2 )/2 -----式1

　　根据牛顿第二定律，叶片吸收的动能等于风残余动能与风初始动能之差，于是得到：

　　P = (1/2)*M*(v1^2 - v2^2)-----式2

　　将式1代入式2得到：

　　P = (p/4)*(v1^2 - v2^2)*(v1+v2)*F

　　由风能的基本计算公式可知

　　P0 = (p/2)* v1^3*F

　　则有：

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

　　由此可见 P/P0 为 v2/v1 的二次函数

　　当 v2/v1 = 1/3 时

　　P/P0 为最大值 16/27

　　为什么无法达到100%的利用

　　如果风中全部的能量，在通过叶轮的时候被 100% 转化为机械能，那么风就不会再吹，通过叶片的空气风速降为0。这就意味着空气会在叶片后面阻滞聚集，也就没有后续流动的空气来推动叶片，产生能量了。

　　再通俗些讲，若风的动能全部被叶片吸收，叶片后方空气与前方空气双方气压持平，好比一群人进旋转门，刚通过的人筋疲力尽无法继续前行（风通过叶片100%动能转换），因此门外面的人由于前面的阻碍也无法前行（后面的风无法继续通过叶片），因此叶片就不转了。

　　（这图小编是套用百度的）

　　当然随着科技的发展，现在出现了一些类似于“无叶片风力发电机”这样的新产品，贝兹理论是不是依旧适用就不一定了，当然此类有高度问题这些小编还未深入了解，如果有机会小编会在以后的系列中在进行说明。

　　风机利用率与风能利用率

　　风力发电机组可利用率与风能利用率，这两个词读起来感觉意思很接近，外行人很容易混淆二者。

　　风力发电机组可利用率如下:

　　可利用率=[1－（A-B）/（8760-B）]×100%

　　其中：8760为全年小时数； A-表示故障停机小时数；

　　B-表示非投标人责任的停机小时数；

　　投标人责任的停机小时数B包括以下情况：

　　●电网故障（电网参数在技术规范范围之外）；

　　●气象条件（包括风况和环境温度）超出技术规范规定的运行范围；

　　●不可抗力；

　　以上情况如有两种或者两种以上同时发生，只计其中较长一种情况。

　　也就是说风力发电机组可利用率就是风机建好后，能发电时间所占全年时间的比率。早期各国的风机利用率并不高也就是在50%左右，但目前随着世界上风电设备制造强国的不断发展，像德国、西班牙、荷兰、丹麦、美国等各国的风力可利用率从原来的50%提高到98%。

　　而风能利用率所指的便涉及到了上面所提到的贝兹理论，极限约为59.3%。利用率=利用量/总风能量。小编风电企业的朋友给小编打了个比喻，一个地区的风能量本身就少的话，利用率再高，也不如风量很大的地区利用率小点的风机。

　　后记：想要成为专家型记者非常难，小编在整理贝兹理论时不得不认真研究其中涉及的各种要素，但也同时扫除了一些知识盲点，向很多人询问风电知识，虽然这次仅仅梳理了几个小问题，但是我们副总编大人曾经说过“科普文生命力很强”。目前风电势头正火，借此大行业趋势多多普及风电基础知识，对风电行业来说还是益处多多的。来自能源网-中国能源报，更多精彩尽在www.cnenergy.org