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兰州石化职业技术学院应用化学工程系周锦新能源技术第四章风能第一节风能概述一、风的形成风的形成是源自于地球自转及太阳辐射热，引起的空气循环流动的自然现象。风能是因空气流做功而提供给人类的一种可利用的能量。空气流具有的动能称风能。第六讲第一节风能概述•风能属于可再生能源，不会随着其本身的转化和人类的利用而日趋减少。•风能又是一种过程性能源，不能直接储存起来，只有转化成其他形式的可以储存的能量才能储存。第一节风能概述二、风力利用的历史第一节风能概述三、风能的利用形式将大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能量。把风的动动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。第一节风能概述风能的利用形式主要有以风能作动力和风力发电两种。•风力发电主要包括风力发电、风力提水，而且还有风力致热、风帆助航等。•以风能作动力，就是利用风来直接带动各种机械装置，如带动水泵提水等。四、风能的特点•优点：蕴量巨大；可以再生；分布广泛；没有污染。•缺点：干扰鸟类；密度低，不稳定，地区差异大；需要大量土地兴建风力发电场；噪音等。第一节风能概述第二节风力发电的原理及系统组成一、风力发电设置地点•1、风力发电设置地点须风性良好且不受遮挡；并考虑地理环境适宜及交通便利，以减少投资成本。•2、趋势为离岸式发展，以利用海上风能及节省陆地资源。第二节风力发电的原理及系统组成二、风力发电原理利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。三、风力发电机的种类第二节风力发电的原理及系统组成风力机是截获流动的空气所具有的动能并将其转化为机械能的装置。①水平轴风力发电机：风轮的旋转轴与风向平行；②垂直轴风力发电机：风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向•其他结构型式达里厄式风轮：一种升力装置，启动力矩低，尖速比很高，有较高的功率输出。双馈型感应发电机:对励磁电流加以适当的控制，从而达到输出一个恒频电能的目的。第二节风力发电的原理及系统组成第二节风力发电的原理及系统组成第二节风力发电的原理及系统组成风力发电机组装置：1.风轮；2.变速箱；3.发电机；4.转向系统；5.控制系统；6.塔架；7.机舱；8.刹车系统；9.输变电系统；10.监控系统。第二节风力发电的原理及系统组成五、运行方式1、独立运行机组生产的电能直接供给相对固定的用户的一种运行方式。2、并网运行风力发电机与电网连接，向电网输送电能的运行方式。第二节风力发电的原理及系统组成3、风力发电场在风能资源丰富的地区按一定的排列方式成群安装风力发电机组，组成集群，称为风力发电场，简称风电场。第二节风力发电的原理及系统组成4、风力-柴油发电系统联合运行运行方式：①风力发电机与柴油发电机交替（切换）运行；②风力发电机与柴油发电机并联运行。第二节风力发电的原理及系统组成5、风力发电-太阳能电池发电联合运行利用自然能源的互补特性，增加了供电的可靠性，并使得风力发电机及太阳能电池的容量较单独使用时要小。运行方式：①切换运行；②同时供电运行。第二节风力发电的原理及系统组成六、风力发电的核心技术1、风力机的变浆距调节•风力机通过叶轮捕获风能，将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩。•通过改变叶片迎风面与纵向旋转轴的夹角，影响叶片的受力和阻力，限制大风时风机输出功率的增加，保持输出功率恒定。第二节风力发电的原理及系统组成2、变速恒频风力发电机变速恒频风力发电机常采用交流励磁双馈型发电机。交流励磁变速恒频双馈发电机系统优点：（1）简化了调整装置，减少调速时的机械应力。（2）使变频装置体积减小，成本降低。（3）应用矢量控制可实现有、无功功率的独立调节。第二节风力发电的原理及系统组成七、风力发电场的特点1、基本要素（1）风速及风向测算方法：①将每小时内测量的风速值取平均值；②中国是将每小时最后10min内测量的风速值取平均值；③在每小时内选几个瞬时测量风速值再取其平均值。第二节风力发电的原理及系统组成（2）风速沿高度的变化工程上通常使用指数法，其公式为：式中h、h1为离地面的高度；υ1为已知的离地面高度为h1处的风速；υ为欲知的离地面高度为h处的风速。第二节风力发电的原理及系统组成（3）风向方位按照不同方位风向出现的频率绘制而成的风向变化的图形称为风向频率玫瑰图。在极坐标图上绘出一地在一年中各种风向出现的频率。第二节风力发电的原理及系统组成（4）风能密度垂直穿过单位截面的流动的空气所具有的动能。式中，W为风能密度，w/m2；ρ为空气密度，kg/m3；υ为风速，m/s。第二节风力发电的原理及系统组成•平均风能密度：或式中，W为平均风能密度；T为一定的时间周期；υ（t）为随时间变化的风速；dt为在时间周期T内相应于某一风速的持续时间。第二节风力发电的原理及系统组成•风能密度经验式得出空气密度与海拔高度的关系：式中，h为海拔高度，m；ρh为相应于海拔高度为h处的空气密度值，kg/m3。第二节风力发电的原理及系统组成（5）风速频率分布按相差1m/s的间隔观测1年（1月或1天）内各种风速吹风时数与该时间间隔内吹风总时数的百分比，称为风速频率分布。第二节风力发电的原理及系统组成2、风电场场址选择①该地区的风力资源丰富；②在预选场址内立测风塔，进行1～2年的数据实测；③对影响场内风力发电机出力及安全可靠运行的其他气象数据以及特殊气象情况有测量及统计数据；第二节风力发电的原理及系统组成④对地区内的地形、地貌、障碍物有详细资料；⑤风电场场址距公路及地区电力网较近，以便降低风电设备运输及接入电网的工程费用；⑥风电场场址应距居民点有一定的距离。第二节风力发电的原理及系统组成3、风电场内风力发电机组的排列风电场内风力发电机组的排列应以在场内可获得最大的发电量来考虑。在平坦地面上，沿主风向方向风力发电机组前后之间的距离（行距）应为风力机风轮直径的8～11倍，左右之间的距离（列距）应为风力机风轮直径的2～3倍。第二节风力发电的原理及系统组成4、风电场对保护环境效果显著风力发电场未来的发展趋势：①提高机群安装场地选择的准确性；②改进机群布局的合理性；③提高运行的可靠性、稳定性，实现运行的最佳控制；④进一步降低设备投资及发电成本；⑤总装机容量在兆瓦以上的风力发电场将占据主导地位，风电场内的风力发电机组单机容量将主要是百千瓦级以上至兆瓦级的。第三节风力发电储能系统•在有风期间将多余的风能转化为其他形式的能量储存起来，在无风期间再将储存的能量释放出来并转变为电能，以保证稳定持续地供电的装置。•储能与大容量风力发电系统的结合是可再生能源的重要组成部分。第七讲第三节风力发电储能系统一、蓄电池储能在风力发电系统中，多采用铅酸蓄电池或碱性蓄电池作为储存电能的装置。铅酸蓄电池的单格电压为2V，碱性蓄电池的单格电压为1.2V。第三节风力发电储能系统1、液流电池（氧化还原液流蓄电系统）活性物质以液态形式存在，溶解于分装在两大储液罐的溶液中，由各个泵使溶液流经液流电池，在离子交换膜两侧的电极上分别发生还原和氧化反应。第三节风力发电储能系统全钒氧化还原液流电池通过不同价态的钒离子相互转化实现电能的储存与释放，是众多化学电源中唯一使用同种元素组成的电池系统。2、锂离子蓄电池锂离子电池无记忆效应、高工作电压、低自放电率、无环境污染性、高能量密度。第三节风力发电储能系统二、压缩空气储能在电力系统峰荷时，利用压缩空气储存的能量发电，向系统供电；在系统低谷时，利用电网中的富余电力，通过空气压缩机储存能量。第三节风力发电储能系统三、超导储能利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其它负载的一种电力设施。主要由超导蓄能线圈、氦制冷器和交直流变流装置构成。第三节风力发电储能系统四、超级电容器储能又称为超大容量电容器、双电层电容器、（黄）金电容、储能电容或法拉电容。特点：超级电容器的比功率是电池的10倍以上；储存电荷的能力比普通电容器高；充放电速度快；对环境无污染；循环寿命长；使用的温限范围宽。第三节风力发电储能系统五、飞轮储能利用电动机带动飞轮高速旋转，将电能转化成机械能储存起来，在需要的时候再用飞轮带动发电机发电的储能方式。特点：效率高、建设周期短、寿命长、高储能、充放电快捷、充放电次数无限以及无污染等。第三节风力发电储能系统六、抽水储能当风大而负荷所需电能较少时，利用多余的电能带动抽水机，将低处的水抽到高处的水库中储存起来；当风小或无风期来临时，再释放高处水库中的水来推动水轮机带动发电机发电。七、电解水制氢储能第四节中国风力发电进展一、中国风能资源本世纪初据中国气象科学研究院的初步测算在陆地离地10m高度处，可开发储量为2.53亿kW；海上可开发储量为7.5亿kW，总计约10亿kW。风电场风况分为三类：年平均风速6米/秒以上时为较好；7米/秒以上为好；8米/秒以上为很好。第四节中国风力发电进展二、中国风力发电现状与展望2008年8月中国风电装机总量已经达到7GW，占中国发电总装机容量的1%，位居世界第五。