简介

风力涡轮机的效率由下式定义:

\text{效率}= \frac{\text{风力涡轮机转化的电力}}{\text{风中可用的电力}}

对于一个100%高效的风力涡轮机来说，所有风能都将被转化为电能。换句话说，风中的所有能量都会被转化，空气也会停止流动。这在实践中是不可能的，因为转子只有在风通过叶片时才会旋转。如果一个转子要停止所有移动的空气，涡轮机将无法将风的动能转换为电能。

德国物理学家阿尔伯特·贝茨(Albert Betz)计算过，要设计出能够将超过59.3%的风能转化为转动转子的机械能的风力涡轮机是不可能的。被称为贝茨极限，59.3%是任何风轮机在现实世界条件下运行的理论最高效率(露天气流)。在典型的运行风速下，大多数现代风力涡轮机的效率为25-45%。

贝茨极限只适用于将风中的动能转化为旋转叶片中的机械能。风力涡轮机中的发电机将机械能转化为电能，进一步降低了总效率。为了理解这一过程，想象一下风力涡轮机的叶片将风能中50%的可用能量转化为机械能(旋转)。然后，发电机将80%的机械能转化为电能。因此，该风力涡轮机的整体效率为0.5 × 0.8 = 0.4，即40%的效率。

当设计风力涡轮机的叶片时，工程师们试图在不同的风速范围内最大化转子的效率——风力涡轮机需要在低风速(4-8米/秒)下高效，这是最常见的，但它也需要在极端风速(>25米/秒)下运行和生存!随着时间的推移，工程师们尝试了许多不同的形状、设计、材料和叶片数量，以找到最有效的方法。在这个实验中，你将试验不同的叶片设计，以最大限度地提高效率。

目标

  • 测量风力涡轮机产生的能量。
  • 计算风力涡轮机的效率。
  • 测试叶片设计变量。
  • 评估数据以确定哪种叶片设计是最有效的。