风能

风能1引言1.1风力机与风力发电机技术的发展史1.1.1风与风能1.1.1.1风的形成风是人类最常见的自然现象之一，在气象学上把垂直方向的大气运动称为气流，把水平方向的大气运动称为风[1]。国际标准大气是指存在于地球周围，包围着地球，地球表面以上海拔0-300km范围内的气体[2]。大气流动是从压力高处往低处流，因此，大气压力差是风形成的主要因素。当太阳加热地球一面的空气、水面和大地时，地球的另一面通过向宇宙空间的热辐射而冷却，地球每日不停地转动，使其整个表面都轮流经历这种加热和散热的周期变化。由于地球表面轴线相对于太阳的倾斜角度有着季节性的变化，从而造成了地球表面加热能量日常分布的季节性变化[3]。在赤道附近，地球所吸收的太阳热辐射要比两极附近多，较轻的热空气在赤道附近上升，并向两极流动；而较重的冷空气作为替代，从两极移向赤道。这就是大气环流运动。在北半球，地球自西向东的自转，使向北流动的空气折而朝东，使向南流动的空气折而朝西。当向北流动的空气到达北纬30°时，它几乎已经折向正东了，因为这种风是从西边吹来的，故称之为“盛行西风”。空气倾向于在北纬30°偏北一点位置上积累起来，造成了这一带地区的高压带和温和的气候，从这个高压地区，一些空气向南流动，并由于地球的自转而被偏折向西，形成了“信风”。信风指在赤道两边的低层大气中，北半球吹东北风，南半球吹东南风，这种风的方向很少改变，也称做“贸易风”。类似的效应导致了在纬度高于50°地区的“极区东风”。在赤道的南方，地球的自转将向南流动的空气折向朝东，而向北流动的空气折向朝西，故在南半球也有类似的盛行西风、信风和极区东风的情况。全球性气流的模式如图1.1所示。由于陆地的比热比海洋小，所以白天陆地上的气温比海面上的空气温度上升得更快，这样，陆地上较热的空气就膨胀上升，而海面上较冷的空气便流向陆地，以补充上升的热空气，这种吹向陆地的风称为“海风”。在夜间，其风向恰恰相反，因为陆地比海洋冷却得更快，所以陆地上的冷空气流向海面以补充上升的热空气，这种从陆地吹向海洋的风，称之为“陆风”。它在中纬度地区可以从海岸线深入内陆50多公里；而在热带地区则可深入内陆远至200多公里。海风，陆风的形成过程如图1.2所示。在多山地区也会出现类似的地方性风。白天因为山顶比山谷热得早，所以山顶上的空气变轻上升，山谷里冷而重的空气就沿着山坡流向山顶以补充上升，这种由山谷吹向山顶的风称为“谷风”。夜间则发生相反的过程，亦即风从山顶吹向山谷，称为“山风”。山谷风的形成过程如图1.2所示。图1.1地球大气环流Fig.1.1Aimospherecirculationontheearth图1.2海风和山谷风形成的原因Fig.1.2Causesofseawindandvalleywind风是一种随机的湍流运动。风特性分平均风特性和脉动风特性。平均风特性包括平均风速、平均风向、风速廓线（剖面）等，脉动风特性包括脉动风速、脉动系数、风向、湍流强度、湍流积分尺度等[4]。1.1.1.2.1风向与风速风向是由风吹来的方向确定。如果风是从西边吹来的，则称为西风。风向可以由风向标给出。风向标东北信风东南信风西风西风极区东风极区东风海陆地海风白天陆风海夜间陆地山谷山风山谷谷风必须转动灵活，且要水平安装在四周空旷的地区，通常高出地面10m。观测陆地上的风向，一般采用16个方位（观测海上的风向通常采用32个方位），即以正北为零，顺时针每转过22.5°为一个方位，如下图1.3表示。风向时刻都在变化。风向频率是指将某一段时间内（月、季、年）风向观测的次数，按方位分类统计，然后以每一方位的观测次数，除以该段时间内观测的总次数，再乘以100即得到的各种风向的风向频率，风向频繁用风向玫瑰图表示。N——北E——东S——南W——西NE——东北SE——东南SW——西南NW——西北NNE——东北偏北ENE——东北偏东ESE——东南偏东SSE——东南偏南SSW——西南偏南WSW——西南偏西WNW——西北偏西NNW——西北偏北图1.3风向的16个方位Fig.1.316Directionofthewind风速要用风速仪测量。它表示单位时间内流过的距离，单位是m/s或km/h。由于风速大小变化时而平缓，时而剧烈，于是在实用中就有瞬时风速与平均风速这两个概念。前者可以用风速仪在极短时间（0.5～1.0s）内测得,后者实际上是某一时间间隔内各瞬时风速的平均值,因此就有日平均风速、月平均风速、年平均风速等。国际上把风力等级分为12级。风力等级B与风速V（m/s）的关系为2386.0BV（1.1）风速在一天之中都在发生变化。地面上一般是夜间风弱，白天风强；高空却是夜间风强，白天风弱。海拔较高的山顶是白天风弱，夜间风强；沿海地带是白天风强，夜间风弱。NNNENNWNWWNWNENNWEENESSSESSWESEWSWSWEWSE风速在一年四季都在发生变化。一年之中由于地球表面高压区、低压区的变动，风的速度与方向也在发生变化。一般来说，夏季的平均风速要比其它季节平均风速低。风速频率，又称风速的重复性，它是指一个月或一年的周期中发生相同的时数，占这段时间总时数的百分比。将风速频率乘以全年小时数8760，即得到一年中某一风速的小时数。目前，描述风速分布情况，多数用威布尔（Weibul）分布函数。1.1.1.2.2风速随高度变化在地球表面100—6000m的范围内。风速一般随高度增加而增大。气象学家把这个范围做大气边界层。把风速随高度变化的图形叫风速剖面。在风速剖面上，风速变化很小，只受最大的地形影响，如山的影响。图1.4表示在15m、30m、100m的平面上空风速变化。此图表明：在一个很短时间内，风速是不规则的，低处的瞬时风速大于较高处的风速也是常见的。图1.4不同高度的风速——时间曲线Fig.1.4windspeedversustimeunderdifferentheight风速剖面的形状与三个因素有关：A.地面是否平坦；B.空气流过地表面时摩擦力的大小。例如，城市、乡村和海洋的地面摩擦力不同，因此风速剖面也不同(图1.5)。C.气流流经路线的温差以及通过大气的温度。风速随高度变化的指数公式：nhhVV)(11(1.2)式中：1V---高度为1h时风速。幂指数n由大气的热稳定度和地表的粗糙度来决定，其值约为1/2-1/8。稳定度居中的开阔平地取1/7；粗糙度大的大城市常取1/3；稳定度差时，因上下紊流混合频繁，上下风速差小，n值小；稳定度高时，因混合的作用得到了抑制，上下风速差大，n值变大。图1.5地表上高度与风速的关系Fig1.5Windspeedvariationduetotheheightonearthsurface1.1.1.2.3地理位置与障碍物对风速的影响从地理位置上看，由于地表面摩擦阻力的作用，所以海面上的风比海岸大，而沿海的风要比内陆大得多。例如，台风登陆后100kW，其风速几乎衰减了一半；在平均风速4-6m/s时，海岸线外70km处的风速要比海岸大60-70%。风流经障碍物时，会在其后面产生不规则的涡流，致使流速降低，这种涡流随着远离障碍物而逐渐消失。当大于障碍物高度10倍以上时，涡流可完全消失。1.1.1.3风能1.1.1.3.1风能的概念及计算空气运动具有动能。风能是指风所具有的动能。如果风力发电机叶轮的断面积为A，则当风速为V的风流经叶轮时，单位时间风传递叶轮的风能为221mVP(1.3)其中：单位时间质量流量AVm322121AVVAVP(1.4)VaZ0.40VaZ0.28VaZ0.16式中:—空气密度，kg／m3；A--风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积，m2；V—风速，m／s；P—每秒空气流过风力发电机叶轮断面面积的风能，即风能功率，W；如果风力发电机的叶轮直径为d在，则24dA这时32238421VddVp(1.5)若有效时间为t，则在时间t内的风能为tVdtPE328(W·h)(1.6)由式(1.6)可知，风能与空气密度、叶轮直径的平方2d、风速的立方3V和风速V的持续时间t成正比。表征一个地点的风能资源潜力，要视该地常年平均风能密度的大小。风能密度是单位面积上的风能，对于风力发电机来说，风能密度是指叶轮扫过单位面积的风能，即321VW(1.7)式中:W—风能密度，W／m2；—空气密度，kg／m3；V—风速，m／s。常年平均风能密度为TdtVTW03211（1.8）式中：W--平均风能密度(W/m2);T--总时间(h)。在实际应用时，常用下式来计算某地年(月)风能密度，即nnnmyttttWtWtWW212211)((1.9))(myW--年(月)风能密度，(W/m2);1W、2W，…nW--各等级风速下的风能密度，(W/m2);1t、2t，…nt--各等级风速在每年(月)出现的时间，(h)。1.1.1.3.2风能储量对全球风能储量的估计在1954年世界气象组织(WMO)出版的技术报告中认为：全球风能总储量为3×1017kW，其中可利用的风能为2×1010kW[5]。全国风能资源储量估算是离地面10m高度层上的风能资源量，而非整层大气或整个近地层内的风能量。估算方法是先在全国陆地年平均风能密度分布图上划出10W/m2、25W/m2，50W/m2、100W/m2、200W/m2各条等值线。已知一个区域的平均风能密度和密度面积便能计算出该区域内的风能资源储量。设风能转换装置的叶轮扫掠面积为1m2，风吹过后必须经前后、左右各10倍直径距离后才能恢复到原来的速度。因此在1km2(106m2)范围内对于叶轮扫掠面积为1m2风力转换装置，只能安装l06/(10×10)=104台，即1万平方米截面积内的风能可以利用。全国的储量是使用求积分仪逐省量取了：10W/m2、10—25W/m2，25—50W/m2、50—100W/m2、100-200W/m2、200W/m2各等级风能密度的区域的面积iS，然后分别乘以各等级风能密度的代表值iW，再按100/iiSWR，计算出中国地面10m高度层上的风能总储量为322.6×1010W，即32.26亿kW，这个储量称作“理论可开发总量”。实际可开发量按上述总量的1/10估计，并考虑风能转换装置叶轮的实际扫掠面积，再乘以面积系数0.785(即1m直径的圆面积是边长1m的正方形面积0.785)，得到全国陆地10m高度层可开发利用的风能储量为2.53亿kW[6]。海上风能可开发量是陆地风能储量的3倍，可达到7.5亿kW，中国地面10m高度层上可开发利用的风能储量为10亿kW。大型风力发电机要求考虑距地面50m或更高处的风能资源，因此，中国可开发利用的风能资源可超过20亿kW。1.1.1.3.3风能的特点风能储量巨大，是太阳能的一种表现形式。因此，风能是可再生的、对环境无污染、对生态无破坏的清洁能源。开发利用风能对于人类社会可持续发展具有重要历史和现实意义。风能密度低是风能的弱点之一。在1个标准大气压(101325Pa)、0℃条件下，空气的密度是淡水密度的1.293‰，淡水密度是空气密度的773.3倍[7]。根据式(1.3)、式(1.4)可知，风能与空气密度成正比，与风力发电机叶轮直径的平方成正比。由于空气密度很低，因此，风电与水电相比，单位装机容量(kW)和单位发电量(kWh)的机械设备较大，从而使风电度电成本变高。自然风是一种随机的湍流运动，风能的不稳定性也是风能的弱点之一。目前国际上评价风电场的基准认为，风电场年平均风速(地面上10m高度层)达到5m/s以上，年上网电量为等效满负荷2000小时为经济效益好的风电场[8]。因此，风能的不稳定性也是促使风电度电成本增高的因素之一。《风能12%》[9]报告指出：尽管风能利用存在很多弱点，但是，风能是近10年世界上增长最快的清洁能源，是未来基于可持续发展和零污染电能的一线希望。现在，全世界有45个以上的国家正积极促进风能事业的发展。促使风能应用增长的原因已经从紧迫的能源需要