半岛体育app风力发电具有环保优势，是新能源的主要组成部分1。我国风力资源丰富，加之风力发电技术的不断进步，促成了我国风力发电的在十二五、十三五期间的大规模发展，装机容量逐年攀升。特别是进入十四五以来，在双碳政策的驱动下，各发电集团的风力发电布局加快，陆上风电和海上风电发展迅速，所有这一切表明风资源利用必将迎来更广阔的前景。
几十年来，国内外对风力发电原理有了更深入的研究，发电效率也得到了大幅提高，风机测试效率已经达到了40-50%。在制造成本和高效率的双重驱动下，风力资源的利用范围也得到了大幅拓宽，平原的中低速风资源也被广泛利用。
贝茨极限作为风力发电的主要理论，对风力发电的发展起到了巨大的推动作用，风力发电效率也被限定在59.3%以下。但贝茨理论选用理想状态的空气作为工质，仅考虑了空气的动能，测算也主要选用流速作为主要参数，并未充分考虑大气压力、温度等参数对风机运行的影响，因此和实际风资源利用存在一定的偏差。
风力发电机是一种将风能转换为电能的装置，主要由风机叶轮、传动部件和发电机组成，风机叶轮将通过的风能转换为动能。由于空气动能转化为叶轮转动的机械能，通过风轮以后的风速会下降，假设将通过风轮的空气从空气中分离出来当作孤立的事物来看待，那么就可以形成一个横截面为圆形的长的气流管。
如图1所示为理想气流模型，v为气流通过风轮时的实际速度；v1为风距风轮一定距离的上游风速；v2为风远离风轮的下游风速；A为气流通过风力机叶片的翼略面的截面积，A1是通过风轮气流的前端的截面积，A2为气流流过风力机叶片扫掠末端的截面积。
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：
贝茨定律的提出是建立在诸多假设条件的基础上，常见的风力发电机叶轮仅为3-5片，且3片居多，并非假定条件的叶片无限多，无限多的叶片可认为叶轮实度很高；更重要的是自然界中的空气极易压缩，并非无粘、不可压缩的理想流体，另外叶轮的前后远方也会存在一定压力差。这些假设都会造成贝茨定律与实际存在较大差异。
因为目前3片叶片的风机的叶轮实度很低，但经计算的效率已经达到了40-50%，甚至部分厂家生成已研制出更高的效率风机。为此某些专业技术人员也对59.3%的效率极限产生了怀疑，更多的人对贝茨定律通过各种理论和试验进行求证。
贝茨定律是基于理想条件下，对风机效率进行的论证。假定条件与实际存在较大差异会造成理论与现实不符。
风力发电机叶轮效率计算除了应考虑空气的速度动能外，还应加入压力能等因素，并充分考虑风机叶轮转动过程中工质和能量与外界的交换。
自然界的风主要受地球自转、太阳日照位置和角度的不同所影响，由于环境温度的不同造成空气密度不同，在不同区域产生不同压差，因此形成了风，并由高压区向低压区移动。如冬季北方天气寒冷，空气密度较高，而南方空气密度变化不大，就在两个地区形成了不同的压力差，不同地区的压力差为空气流动提供了动力。
按公式F=ma，空气在流动过程中将获得一定的加速度，随着时间的加长，空气流动的速度会越来越快，风也就越来越大。风的动能可以通过公式P=1/2mv2进行计算，在达到一定的风速以后，就能为风力发电机提供动力进行发电。
按照伯努利方程，风作为流体能量共有压力能、动能和位置势能三部分组成。对于风力发电机叶轮而言，空气的位置势能基本不变。在叶轮转动的过程中，压力能和动能可以互相转化，因此应将压力能和动能作为影响因素，但现在风力发电效率测算仅考虑了动能的变化。并做了叶轮上下游压力相等的假设，这与实际是不符的。
目前大型风机叶片数量均为3片，叶片的实度较低也会对风机效率产生一定的影响。理论上来说，风机叶片数量增多能够得到更多的风能，风机能够获得更大的转矩。对此，很多人进行过相应的测算，认为风机3片叶片最为经济，成本较低，也获得了较高的效率。
现在大型风机的效率已达到40-50%，接近贝茨极限值59.3%，但三片叶片风机的实度只有叶轮扫风面积的几十分之一，叶片运行中会产生大面积漏风，必然会对风能的充分利用产生大的影响，因此有必要根据实际情况对风机叶片能量利用进行深入研究。如果对风机的边界条件进行梳理，去除贝茨定律假设条件的限制，在效率计算中引入压力能、动能及其互相转化的影响，通过合理利用能量转化规律，应能够获得更高的效率。
贝茨定律基于很多的理论假设，如将空气假设为不可压缩、无粘流体，但实际空气具有可压缩性，压力变化对空气的密度有着较大影响，空气也具有一定的粘性，在物体表面会形成一定厚度的附面层，这些差异都会使实际结果远离理论值。
3.3.1 在初速度v1的空气流经风机叶轮时，具有较高压力能和动能，由于空气受到叶轮的阻力，叶轮前的压力会上升至p，也即动能转化为压力能。由于压力能没有方向，叶轮处的压力高于环境压力p0，导致一部分空气会向叶片周边扩散，并形成一定的流速混入叶片周边环境中，只有部分空气进入叶轮做功。叶轮前后压力差的存在也会对叶片做功，形成的扭力增加。
3.3.2 由于空气在叶轮前的压力升高，这部分空气的密度也会大于上游空气，进入空气的质量M也会大于上游空气，并不会遵从不可压缩流体的假设。因此进入风机叶轮的动能也会大于理论值。
3.3.3 对于叶轮后部，为了进入叶轮的空气能够顺利排出，其全压（静压与动压之和）要高于环境压力。全压包括压力和流速形成的动压。如果后部形成的静压力低于环境压力，外围的空气就会因为静压的作用进入填充，并最终和环境压力相同，造成叶轮上下游压力相同的假象。
3.3.4 理论假设风机叶轮上下游压力相同，但实际是存在一定的压力梯度的。叶轮上下游存在一定的压差，这个压差导致了空气流动，并最终形成了风的流速，这部分压力差也会对叶轮做功。
总之，理论计算和工程实际存在一定的差异，从实际出发，对风力发电机进行设计才能获得更大的效率和收益。
风机叶轮叶片较长，为了达到较高的运行效率，设计较为复杂。现在基本是利用三维软件对叶片进行放样建模形成弯扭叶片（见图2），并经过计算流体力学CFD模拟仿真校核。风机叶片转动机理主要是通过叶片两侧的压力差不同，通过升力作用在叶片形成扭矩，带动叶轮轴旋转，并带动发电机发电。
在叶片设计方面，Solidework、CREO、Catia等软件得到了较多的应用，通过绘制不同的叶片轮廓对叶片截面进行控制，并根据需要进行扭曲，后经引导曲线放样形成。
在风机叶轮仿真，ANSYS、Abaqus等CFD软件得到了广泛的应用2，这类软件不但可以完成风机叶片的结构校核，强度计算，还可以进行流场模拟，研究风机叶片转动情况下风的流场变化，提供更为详实的设计数据。近些年国内QFLUX、TF-Particle等流体力学软件也有了较快发展，在风力场模拟、叶片设计等方面有了一定的应用。对于CFD软件计算，边界条件设计最为重要，选择正确的设置才能够得到正确的结果。
4.2.1根据实际情况确定叶轮前的压力、温度等参数。根据压力、温度测算流入空气的密度，计算流入叶轮的空气质量M，以及具有的压力和速度能。
4.2.2 合理利用空气的压力能和动能。为保证叶轮后空气的顺利排出，叶轮后部全压应高于环境压力，因此叶片设计中应充分考虑压力能和速度能的能量转化，通过合理调整叶型使叶轮获得最大的扭矩。
4.2.3 采用异形叶片使叶轮获得更多的扭矩。对于风机叶片而言，叶片获得扭矩和空气的动能。根据F=mv，推动叶片的空气的质量越大，叶片获得的扭力也会越大。
当前风机叶片设计主要采用光滑曲面设计，风经过叶片时，叶片前后表面受力差使叶片获得相应的扭矩。这部分力主要由两部分组成，一部分是空气对叶片的冲动力，另一部分是叶片两面的压力差产生的力。
4.3.1 采用三维弯扭叶片。利用当前先进的CFD软件技术设计更为先进的，效率更高的弯扭叶片，在叶片旋转中获得更多动能。大型风机叶片无一例外采用变截面设计，沿叶片长度叶片轮廓始终处于变动状态，以完成更加高效的能量转换。
4.3.2 在叶片表面设计压力能动能转换结构。光滑的叶片无法获得更多的空气动力，如果在叶片表面设计一定的槽道，规范流体流向，让更多的空气从叶片表面流过，增大控制质量，应能够获得更多的动能。通过合理设置动能和压力能转换，也可以通过提高压力让叶片获得更多的反动力。如图3所示的叶片结构示意图，将叶片下表面加装缩放装置，空气进入时首先进入减缩段，空气在内部加速可以获得较多的动能推动力，后部扩压段，可以利用升高的反动压力继续推动叶片旋转。
4.3.3 采用双叶轮风机3。通过在风力发电机前、后部加装两个叶轮增加风能的利用效率，前后风机叶轮交错布置，增加一个叶轮可以增加发电功率。相关试验表明，小型风力发电机增加一个风轮可以提高风力发电机效率40-50%左右，因此双叶轮如果应用在大型风力发电机，也能进一步提高效率。
风力发电作为主流的清洁能源之一，具有可再生，清洁环保的优点，在未来电力供应方面具有较好的前景。随着我国西北、华北、东北等高质量风资源的逐步利用，风力发电逐渐向风力较小的南方发展，国内风力发电也逐渐由大面积向高质量发展的阶段迈进，如何提高风机效率成为新的课题。贝茨定律作为风力发电的法则已运用多年，但由于理想工况和自然环境中的实际工况相差较远，应着重对实际情况进行研究，以达到合理利用风资源的目的。
本文对贝茨定律的主要内容进行了介绍，提出了实际风能利用中的与理想工况的异同点，提出了风力发电效率测算应考虑工质和外界能量的交换，并应加入压力能，充分研究风力发电过程中压力能、动能的转化，更加高效的进行综合利用，进一步提高风力发电机的效率。为了提高风机效率，主要提出采用全三维弯扭叶片设计，并在叶片表面设计相应的能量转换部件；讨论风机叶型改进的可行性，并提出可以采用双叶轮机进行补充，获取叶轮漏风来提高风机效率的可行性，以期进一步获取空气能量。