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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。
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。
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