新能源--风能

风能地球转动，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。一.风的形成大气环流◆风是空气流动形成的结果。三圈环流示意图一.风的形成我国季风分布图一年内随着季节不同有规律转变风向的风，称为季风。季风环流局地环流一种中、小尺度（几公里、几十公里至100多公里）的区域性环流。如城市热岛环流、海陆风、山谷风等。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。海陆风海风：白天从海洋吹向大陆的风陆风：夜间从陆地吹向海洋的风。山谷风谷风：下层风由谷底吹向山坡山风：下层风由山坡吹向谷地◆风向：风吹来的方向◆风速：单位时间内空气在水平方向上所移动的距离。二.风的描述风力等级相当风速m/s相当风速Km/h名称00~0.41无风10.5~1.51~6软风22~37~11轻风33.5~512~19微风45.5~820~28和风58.1~10.929~38清劲风611.4~13.939~49强风714.1~16.950~61疾风817.4~20.462~74大风风力等级表风力等级相当风速m/s相当风速Km/h名称920.5~23.975~88烈风1024.4~2889~102狂风1128.4~32.5103~117暴风1232.6~35.9118~133飓风1336.9~40.4134~1491440.1~45.4150~1661545.1~50167~1831650.1~54184~2011754.1~60202~220桁架式测风塔塔筒式测风塔风的测量—测风塔风的记录左:某气象站风向玫瑰图（静风频率为1.2％）右:某气象站全年风向玫瑰图玫瑰图：某时间段内某点风速、风向分布状况。某气象站历年年平均风速直方图某气象站月平均风速变化风速直方图风速直方图◆风能：即空气的动能,是指风所负载的能量，风能的大小决定于风速和空气的密度。◆风的能量是由太阳辐射能转化来的，约占2%的幅射能。二.风的描述我国有效风能功率密度世界的风资源WAsP：WindAtlasAnalysisandApplicationProgram风资源分析与应用程序（软件）312A为风能W为空气密度kg/m3为风速m/s为气流通过的面积m2312A风能计算•功率系数:从风能中获得能量的比值0PPCP，为风轮后与风轮前风速的比值。当时可得最大的cp值（理想系数）：201(1)(1)2PPCP0.593pc12vv13三.风能的利用风能风力机风帆机械泵发电机发热装置水空气油直流电交流电整流抽水蓄能压缩空气液压电动机电解制氢蓄电池电网热能涡轮机机械负载涡轮机逆变发电机供暖、供热水灌溉交、直流电能负荷助航1.风能利用的发展◆人类利用风能的历史，至少可以追溯到5000多年以前；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；◆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；◆几个世纪以来，风能利用技术发展缓慢；◆自1973年世界石油危机以来，风能重新有了长足的发展。1.风能利用的发展2.风能利用的意义◆无污染、可再生；◆不需要采购、运输，不需要开采，消耗资源少；◆清洁卫生，几乎一尘不染；◆对沿海岛屿、边远山区、草原牧场，以及农村、边疆，有着十分重要的意义；◆在发达国家日益受到重视。3.风力发电风力发电是21世纪风能利用的主要发展方向。原理：风能机械能电能风力发电与火电的比较消耗资源产生污染物其它影响火力发电250~400克煤600克二氧化碳3克二氧化硫1.6克二氧化氮造成温室效应风力发电无无轻微噪音减排量对比表（每生产一度电）4.风力发电设备一、组成：风力发电机组包括两大部分；一部分是风力机，由它将风能转换为机械能；另一部分是发电机，由它将机械能转换为电能。二、分类：1）根据它收集风能的结构形式及在空间的布置，可分为水平轴式或垂直轴式。2）从塔架位置上，分为上风式和下风式；3）还可以按桨叶数量，分为单叶片、双叶片、三叶片、四叶片和多叶片式。4）从桨叶和形式上分，有螺旋桨式、H型、S型等；5）按桨叶的工作原理分，则有升力型和阻力型的区别。6）以风力机的容量分，则有微型(1kW以下)、小型(1—10kW)、中型(10—100kW)和大型(100kw以上)机。4.1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。4.1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。4.1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。4.1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。4.1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。4.1水平轴风力机(6)压缩风能型风力机是一种特殊设计的风力机，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。4.2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。4.2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。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，可以兼顾输出能力、起动力矩和成本。4.2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。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。4.2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。各种各样的风力发电机4.3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。4.4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。4.4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。4.4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4.4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，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。4.4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。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4.4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。4.4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。4.4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。4.4水平轴风力机的原理工作风速风力机并不是在所有风速下都能正常工作。起动风速——“切入风速”；“额定风速”；停机风速——“切出风速”。5风力发电机组5.1风电机组及其构成SL1500风力发电机组叶片轮毂一.叶轮二.机舱三.塔架四.基础5.2风力发电机常见的风力发电机类型（1）恒速恒频的鼠笼式感应发电机（2）变速恒频的双馈感应式发电机（3）变速变频的直驱式永磁同步发电机5.3传动和控制机构包括传动结构（例如齿轮箱）、对风系统（偏航系统）、限速和制动装置。5.4塔架和机舱塔架的高度视地面障碍物对风速影响的情况及风轮直径大小而定。6.风力发电场6.1风电场的概念在风力资源丰富的地区，将数十台至数千台单机容量较大的风力发电机组集中安装在特定场地，按照地形和主风向排成阵列，组成发电机群，产生数量较大的电力并送入电网，这种风力发电的场所就是风电场。风电场单机容量小、机组数目多。6.2风力发电的特点优点：（1）没有直接污染排放；（2）不需要水参与发电过程；（3）经济性好。对环境的负面影响：（1）风力机的噪声；（2）风力机的电磁干扰；（3）视觉影响；等等。风力发电场示意图威海现场吉林白城风电场内蒙古自治区辉腾锡勒风力发电厂柴窝堡风电场香港风电场中南风电场大板城风电场江苏风电场10万kW欧美国家的海上风场其它风电场其它风电场风能