新能源与分布式发电技术03风能与风力发电

新能源与分布式发电技术制作：朱永强，许郁，丁泽俊第3讲风能与风力发电华北电力大学新能源与分布式发电技术风力发电第3讲风力发电关注的问题风是最常见的自然现象之一。风是怎样形成的？人类何时开始懂得对风能的利用？又是如何利用的？风力发电的原理是怎样的？风力发电的设备什么样？风力发电能达到什么样的规模？发展状况如何？教学目标了解风资源情况和风能利用的发展历史，掌握风力发电的基本原理和主要设备，理解风力发电的重要意义和发展前景。新能源与分布式发电技术风力发电§3.1风能利用的历史人类利用风能的历史，至少可以追溯到5000多年以前。埃及可能是最先利用风能的国家。趣闻：风能与金字塔（见教材）2000多年以前，人类开始利用风的力量进行生产，例如靠风力带动简易装置来碾米磨面、引水灌溉。公元前几百年，亚洲的巴比伦人、波斯人也开始利用风能。公元10世纪，伊斯兰人开始用风车提水。到11世纪，风车在中东地区已经获得广泛的应用。新能源与分布式发电技术风力发电§3.1风能利用的历史12世纪，风车的概念和设计从中东传入欧洲。荷兰人发明了水平转轴的塔形风车，并且很快风靡北欧。唐吉诃德大战风车的故事听说过吧？（教材引例故事）除了磨面、榨油、造纸、锯木等生产作业之外，在比利时等地势较低国家还用风车来排水。新能源与分布式发电技术风力发电§3.1风能利用的历史至少在3000年以前，我国就出现了帆船。中国最辉煌的风帆时代是明代，郑和下西洋，庞大的风帆船（见教材）在那几次举世闻名的航行中功不可没。郑和的“准环球”旅行，比西方的哥伦布和麦哲伦早了好几百年。新能源与分布式发电技术风力发电§3.1风能利用的历史公元前数世纪我国人民就开始利用风力提水、灌溉、磨面、舂米等。1300多年前宋代的一种垂直轴“走马灯式”，一直沿用到新中国成立（见教材）。中国沿海沿江地区的风力提水灌溉或制盐的做法，曾经非常盛行，仅在江苏沿海利用风力的设备就曾多达……。我国使用最广泛的是“斜杆式”风车，直到今天，沿海地区农田和盐场中仍有上千台之多。新能源与分布式发电技术风力发电§3.2风和风资源§3.2.1风的形成地球转动，地表的地形差异，以及云层遮挡和太阳辐射角度的差别，使地面受热不均。不同地区的温差和空气中水蒸汽含量不同，形成不同的气压区。空气从高气压区域向低气压区域的自然流动，称为大气运动。在气象学上，一般把垂直方向的大气运动称为气流，水平方向的大气运动就是风。新能源与分布式发电技术风力发电§3.2.1风的形成按照形成原因，风有信风、海陆风和山谷风等。（1）信风赤道附近气温高，热气上升；两极气温低，冷气下降，相互填补空缺，冷空气在地面附近从两极流向赤道(高空反之)。地球自西向东转，北半球东北风，南半球东南风。（2）海陆风海洋热容量大。白天日照下陆地温度比海面高，热空气上升，海面冷空气在地表附近流向陆地，这就是海风。夜间，陆地比海洋冷却得快，形成流向海洋的陆风。（3）山谷风白天山坡朝阳面受热较多，空气上升；低凹处受热少，冷空气从山谷流向山坡，形成谷风。夜间，山坡降温幅度大，冷空气则沿山坡向下流动，形成山风。新能源与分布式发电技术风力发电§3.2.1风的形成一般，在晴朗而且昼夜温差较大的沿海地区，白天吹来海风，夜晚则有陆风吹向海上。在山区，白天谷风从谷底向山上吹，晚上山风从山上向山下吹。大陆与海洋的热容量差别，还会形成季节性的气压变化。以中国的华北地区为例，冬季内陆气温低，多形成高气压区，空气流向东南方向的海洋低气压区，所以在冬季多刮西北风。而夏季正好相反，我国大部分地区常刮东南风。。新能源与分布式发电技术风力发电§3.2.2风的描述（1）风向就是风吹来的方向。例如，南风。早在商代，就有对风向的定义和观测，见教材（2）风速就是单位时间内空气在水平方向上移动的距离。通常指一段时间内的风速的算术平均值。（3）风能和风能密度风中流动的空气所具有的能量，称为风能。风能密度，就是单位面积上流过的风能。231122EmvSv新能源与分布式发电技术风力发电§3.2.3世界风资源有专家估计，地球上的风能，大约是目前全世界能源总消耗量的100倍，相当于……万亿吨煤蕴藏的能量。据世界气象组织估计，全球大气中蕴藏的总的风能功率约为1014MW，其中可被开发利用的风能约有……MW。全球的风能折算为电能，相当于2.74万亿度，其中可利用的相当于……亿度电。地球1.07亿平方公里的陆地表面，平均风速高于5m/s（距地面10m高处）的面积约占27%。据分析，其中只有4％左右的面积有可能安装风力发电机。以目前的技术水平，每平方公里的风能发电量为330千瓦左右，平均每年发电量的合理估计为……万度左右。新能源与分布式发电技术风力发电§3.2.4我国风资源研究表明，全国平均风能密度约为100W/m2，全国风能总储量约48亿兆瓦，陆上和近海区域10米高度可开发风能资源储量约为10亿千瓦，其中有很好开发利用价值的陆上风资源大约有……千瓦。新能源与分布式发电技术风力发电§3.2.4我国风资源中国气象局风能太阳能资源评估中心，公布了全国平均风速分布和有效风功率密度分布情况，参见教材图3.4和图3.5。新能源与分布式发电技术风力发电§3.3风力机的种类各种类型的风力机，都至少包括叶片（有些称为桨叶）、轮毂、转轴、支架（有些称为塔架）等部分。其中由叶片和轮毂等构成的旋转部分又称为风轮。按转轴与风向的关系，风力机大体上可分为两类：－水平轴风力机（风轮的旋转轴与风向平行）；－垂直轴风力机（风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向）。新能源与分布式发电技术风力发电§3.3.1水平轴风力机(1)荷兰式风力机12世纪初荷兰人发明，曾在欧洲(荷、比、西等国)广泛使用。这可能是出现最早的水平轴风力机。荷兰风车有两种形式，详见教材。新能源与分布式发电技术风力发电§3.3.1水平轴风力机(2)螺旋桨式风力机螺旋桨式水平轴风力机目前技术最成熟、生产量最多。其翼型与飞机的翼型类似，一般多为双叶片或三叶片，也有少量用单叶片或四叶片以上的。新能源与分布式发电技术风力发电§3.3.1水平轴风力机(3)多翼式风力机也叫多叶式风力机，一般装有20枚左右的叶片，是典型的低转速大扭矩风力机。新能源与分布式发电技术风力发电§3.3.1水平轴风力机(4)离心甩出式风力机是一种不直接利用自然风的独特设计。采用空心叶片。结构比较复杂，通道内空气流动的摩擦损失大，总体效率很低。新能源与分布式发电技术风力发电§3.3.1水平轴风力机(5)透平式风力机也叫涡轮式风力机，其结构形式燃气轮机和蒸汽轮机类似，由静叶片和动叶片组成。这种风力机的叶片短，强度高，尤其适用于强风场合，例如南极和北极地区。新能源与分布式发电技术风力发电§3.3.1水平轴风力机(5)压缩风能型风力机是一种特殊设计的风力机，图见教材，利用装在叶轮外面的集风器或扩散筒，提高经过风轮的空气密度，或者增加风轮两侧的气压差，从而提高风能吸收的效果。还有安装和成本上的问题需要解决。新能源与分布式发电技术风力发电§3.3.2垂直轴风力机(1)萨布纽斯式（S式）风力机芬兰工程师萨布纽斯发明，我国简称为S式。通常由两枚半圆筒形的叶片所构成，也有用3～4枚的。主要靠两侧叶片的阻力差驱动，能产生很大的扭矩。但是能够提供的功率输出较低，效率最大不超过10%。为提高效率，可多层重叠（图见教材）新能源与分布式发电技术风力发电§3.3.2垂直轴风力机(2)达里厄型（D式）风力机法国工程师达里厄发明。常见有Φ、H形结构等（图见教材）。有较高的功率输出，不过它的起动扭矩低。装置简单，成本也比较低，是水平轴风力机的主要竞争者。(3)S式和D式组合风力机把输出性能好的D式风力机和启动性能好的S式风力机组合在一起使用（图见教材），可以兼顾输出能力、起动力矩和成本。新能源与分布式发电技术风力发电§3.3.2垂直轴风力机(4)旋转涡轮式风力机靠压差推动的横流式风力机，其原理受通风机的启发演变而得。教材给出了一种多叶型旋转涡轮式风力机的照片。结构复杂价格也较高，有些能改变桨距，起动性能好，能保持一定的转速，效率极高。新能源与分布式发电技术风力发电§3.3.2垂直轴风力机(5)美格劳斯效应风力机美格劳斯效应风力机由自旋的圆柱体组成，在气流中工作时，产生的移动力由美格劳斯效应（参见教材）引起，大小与风速成正比。在大的圆形轨道上移动的小车上装上回转的圆筒，由风力驱动小车，用装在小车轴上的发电机发电。新能源与分布式发电技术风力发电§3.4水平轴风力机的结构和原理§3.4.1水平轴风力机的结构目前应用较多的是水平轴风力机，且多用螺旋桨型叶片。水平轴风力机主要包括风轮、塔架、机舱等部分。轮毂叶片机舱塔架－风轮是由轮毂及安装于轮毂上的若干叶片(桨叶)组成，是风力机捕获风能的部件；－塔架是风力机的支撑结构；－机舱内集中放置调向装置、控制装置、传动机构、发电机等。新能源与分布式发电技术风力发电§3.4.2水平轴风力机的原理翼型及其受力后缘前缘最大厚度翼弦在与飞行器设计有关的空气动力学中，升力是促使飞行器飞离地面的力，因而被称为升力。当攻角为0º时，升力最小。当气流方向与物体表面垂直时，物体受到的阻力最大。新能源与分布式发电技术风力发电§3.4.2水平轴风力机的原理伯努利效应空气的压力与气流的速度有一定的对应关系，流速越快，压力越低，这种现象叫作伯努利效应。翼型上表面凸起部分的气流较快，上表面的空气压力比下表面明显要低，从而对翼型物体产生向上的“吸入”作用，增大升力。新能源与分布式发电技术风力发电§3.4.2水平轴风力机的原理桨距（节距角）攻角与叶片的安装角度有关。叶片的安装角称为节距角，有时也称之为桨距，常用字母θ表示。当风轮旋转时，叶片在垂直于气流方向的方向上也与气流有相对运动，因而实际的攻角α与叶片静止时的攻角不一样。叶片安装角（节距角）攻角叶片运动方向气流运动方向新能源与分布式发电技术风力发电§3.4.2水平轴风力机的原理风能利用系数任何类型风力机都不可能将接触的风能全部转化成机械能。风力机能够从风中吸取的能量，与风轮扫过面积内的全部风能(未受风轮干扰时)之比，称为风能利用系数。根据Betz理论(见教材)，风能利用系数有理论最大值，约0.6。风能利用系数主要取决于风轮叶片的设计（如攻角、桨距、翼型）以及制造水平，还和转速有关。高性能的螺旋桨式风力机，Cp值一般在0.45左右。新能源与分布式发电技术风力发电§3.4.2水平轴风力机的原理叶尖速比叶片尖端旋转速率与上游未受干扰的风速之比，称叶尖速比，常用字母λ来表示。风能利用系数Cp与叶尖速比有关，详见教材。当取特定值时Cp值最大，称之为最佳叶尖速比。24681012141600.10.20.30.40.5ß=0°ß=5°ß=10°ß=20°叶尖速比风能利用系数Cp新能源与分布式发电技术风力发电§3.4.2水平轴风力机的原理容积比也叫实度，表示“实体”在扫掠面积中所占的百分数。多叶片风力机具有很高的容积比，被称为高容积比风力机；具有少数几个窄叶片的风力机，则被称为低容积比风力机。多个叶片会互相干扰，因此总体上高容积比的风力机效率低。不过，空气动力学噪声一般较小。低容积比风力机，如果叶尖速比太低，有些风会直接吹过转子的扫掠面积；如果叶尖速比太高，一些气流将绕开风力机流过。新能源与分布式发电技术风力发电§3.4.2水平轴风力机的原理力矩和转速风力机机械能等于叶片角速度与风作用于风轮的力矩的乘积。获取风能相同，角速度小，则力矩大；角速度大，则力矩小。低速风力机的输出功率小，扭矩系数大，用于磨面和提水的风力机，常采用多叶片风力机。高速风力机效率高、输出功率大，因此风力发电常用2～3叶片。新能源与分布式发电技术风力发电§3.4.2水平轴风力机的原理取自风能的功率风力机捕获风能转变为机械功率：3mppwC0.5CAwPPv＝一般不易对空气密度、风速、叶片半径等进行实时控制，为了实现风能捕获最大化，唯一的控制参数就是风能利用系数Cp。主要是控制叶尖速比和桨距等。新能源与分布式发电技术风力发电§3.4.2水平轴风力机的原理工作风速风力机并不