风能

风能，是大规模利用风能作为可再生能源。自古以来，风的动能就被用来使环境中的能量可用于技术目的。

过去，风车提供的机械能直接在现场用于驱动机器和设备。在他们的帮助下，谷物被磨成面粉，地下水被抽到地表，或者锯木厂开始运作。

今天，风力涡轮机发电是迄今为止最重要的用途。

到 2021 年底，全球安装了标称容量约为 837 吉瓦的风力涡轮机。

根据 BP 的数据，2020 年全球安装的系统提供了约 1590 TWh 的电能；相当于全球发电量的 5.9%。其在全球一次能源消耗量 154,620 TWh 中的份额为 1.0%，由于计算方法的原因，它往往被低估了。

2013 年，风力发电机组的平准化电力成本（LCOE）已经低于新建煤电和核电厂的平准化电力成本（LCOE）。 取决于各种因素，例如风力前景（这里指的是：在数量和质量上都适合风力发生-现场）和系统设计，风力涡轮机达到 1,400 到 5,000 多个满负荷小时（后者在最佳海上位置）。

风能因其在世界范围内的可用性、低成本和技术发展水平而被认为是最有前途的可再生能源之一。 它现在是电力生产的主流技术之一，并且由于全球许多市场的技术进步和经济竞争力，它在世界上越来越多的国家的能源政策和能源战略中发挥着核心作用。

风能系统可用于在所有气候带、海上和所有陆地位置（沿海、内陆、山区）发电。

在海上风电场中，通常仅区分陆上使用和海上使用。到目前为止，陆上电力尤为重要，而海上电力迄今一直是小众市场，全球装机容量的份额约为 3.5%。陆上电力预计也将在长期内占据主导地位，尽管海上设施的比例越来越大。

流动动能的密度随风速 v 呈二次方增加，并取决于空气密度 ρ：

w = ρ 2 v 2

在风速为 8 m/s（≈ 风力 4 Bft）时，它几乎是 40 J/m³。

这种能量是由风传输的。 在风力涡轮机转子前方的自由流动中，这种传输的功率密度为

w v = ρ 2 v 3

在示例中为 320 W/m²。

由于功率密度随风速的显着增加，多风的地方特别有趣。 塔高起着重要作用，尤其是在内陆地区，那里崎岖的地形（建筑和植被）会降低风速并增加湍流水平。

风力转子的性能通常通过将其输出到轴的功率与转子面积和风的功率密度相关联来表示。这个分数称为功率系数 cP，通俗地说也称为收获度。 限制的原因是流速因功耗而降低，空气块在流动方向上变短，流线彼此之间的距离增加， 风越慢，流过转子的流量就越多。

16/27 = 59.3% 的最佳值将通过无损转子实现，该转子使用风能密度的 8/9 的动态压力将流量减慢至风速的 1/3。

该功率的其余部分仍在流动中：1/3 = 9/27 在避开转子的细丝流中，2/3 的 1/9 = 2/27 在减速的空气团中。

像所有机器一样，真正的风力涡轮机不会达到理论xxx值。 叶片上的空气摩擦、叶尖处的尾流湍流和转子尾流中的扭曲会导致空气动力损失。

在现代系统中，这些损耗将功率系数从 cP,Betz ≈ 0.593 降低到 cP = 0.4 到 0.5。在提到的 320 W/m² 中，预计可达 160 W/m²。 直径为 113 m（10,000 m² 面积）的转子然后向轴输出 1.6 兆瓦的功率。

要计算电源连接处的功率，还必须考虑所有机械和电机部件的效率。

在比较不同的设计时，转子的功率系数经常被高估。 功率系数降低 10% 可以通过转子直径增加 5% 来抵消。为了经济上的成功，用给定的材料输入覆盖尽可能大的转子区域更为重要。在这方面，今天常见的设计具有水平旋转轴和一些细长的转子叶片，优于其他设计。

必须区分风力涡轮机的安装标称电功率（由技术构造产生）和单位时间内在该位置实现的实际平均功率。