這個計算器的功能
風力發電機輸出功率計算器可估算氣流通過風輪時所帶有的瞬時功率。它計算的是功率(單位時間的能量),以瓦特(W)、千瓦(kW)與公制馬力(PS)表示,而非某段時間內累積的能量。本工具給出的是理論上可取得的風能功率;它刻意不套用任何風機效率或功率係數,因此這個數值代表的是理想化的上限值。
使用方式
請輸入三個數值:風輪直徑 \(R\)(公尺,即葉片旋轉所掃過圓形的完整直徑)、空氣密度 \(d\)(kg/m³,海平面約為 1.2),以及風速 \(v\)(m/s)。所有輸入皆已採用 SI 國際單位制,無需另行換算。按下計算後,即可看到以 W、kW 與 PS 表示的可取得功率。
公式說明
掃掠面積為 $$S = \frac{\pi R^{2}}{4}$$ 這裡的 \(R\) 為直徑(半徑 \(r = R/2\))。流動空氣的動能功率通量為 $$E = \frac{1}{2} \cdot S \cdot d \cdot v^{3}$$ 值得注意的是,功率與風速的三次方成正比,並與風輪直徑的平方成正比——風速加倍,功率變為八倍;風輪直徑加倍,功率則變為四倍。
實際範例
當 \(R = 8\ \text{m}\)、\(d = 1.2\ \text{kg/m}^3\)、\(v = 5\ \text{m/s}\) 時:$$S = \frac{\pi \times 8^{2}}{4} = 16\pi \approx 50.265\ \text{m}^2$$ 接著 $$E = 0.5 \times 50.265 \times 1.2 \times 5^{3} = 0.5 \times 50.265 \times 1.2 \times 125 \approx 3769.9\ \text{W} \approx 3.77\ \text{kW} \approx 5.13\ \text{PS}$$
常見問題
這就是風機實際的發電量嗎?不是。這是風中原始的空氣動力功率。實際輸出 \(= E \times\) 功率係數 \(C_p \times\) 機械/電氣效率。貝茲極限(Betz limit)將可擷取的比例上限定在 \(16/27 \approx 0.593\);一般風機的 \(C_p\) 約落在 0.35–0.45。
R 是半徑還是直徑?這裡的 \(R\) 是風輪的完整直徑。計算器內部會以 \(S = \frac{\pi R^{2}}{4}\) 自動推導出半徑 \(R/2\)。
應該採用多少空氣密度?在平地或海平面約為 1.2 kg/m³(標準大氣 15°C 時為 1.225)。空氣密度會隨海拔、溫度與濕度上升而下降,進而降低可取得的功率。