第9讲-风能的利用

第九讲风能的利用风能的基本理论：风的形成、风的基本特征、升力和阻力、风能资源风能利用技术：风力机的结构、风轮的基本理论、风力发电及其他应用1.风是怎么形成的？风能是大气运动形成的一种能源形式，其能量来自于大气所吸收的太阳能。梯度风——由压力梯度产生的风地转风——在气压梯度力和科里奥利力平衡时，沿等压线直线运动的风气转风——受到气压梯度力、科里奥利力和离心力作用，空气沿弯曲的等压线运动形成的风科里奥利力——由于地球的自转而产生的作用于气流的偏向力2corFv科氏力Coriolisforce离心力CentrifugalforcecenFr•大气环流•区域风：海陆风、山谷风夜间”山风”白天”谷风”２.风的基本特征（１）风向：风吹来的方向•风向频率（风频）：在一定的时间范围内，某风向出现的次数占各风向出现的总次数的百分比工业布局时注意风向对工程位置的影响２.风的基本特征•瞬时风速、平均风速计算风资源时，都用10min的平均风速•风速变幅：在测量平均风速的限定时间内，最大风速与最小风速之差•起动风速（切入风速）：可使风力机起动运行的风速；•切除风速（切出风速）：限制风力机超速运行的上限风速•有效风速：起动风速和切除风速之间的风速国内风力机的起动风速一般为3m/s，切除风速为20m/s，有效风速范围为3～20m/s。（２）风速：风在单位时间内吹过的距离•风速频率：在一定时间内，相同风速出现的时间长度占测量总时间的百分比•风级：根据风力强度划分的等级２.风的基本特征影响风速的主要因素•垂直高度在离地100ｍ范围内00nHvvH近地的风速边界层越厚，n值越小，通常为0.1～0.4，常用0.142风速随高度的变化也不是一成不变的风能的时空不稳定性是其重要特性影响风速的主要因素•地形地貌影响风速的主要因素•地理位置•障碍物风机安装的位置距离障碍物的距离至少是障碍物高度的20倍，而且叶片下缘的高度至少是障碍物高度的3倍3.风的能量•风能：空气流动的动能•风的功率Nv：1s通过面积为A的空气所具有的动能312vNvA•风能密度E0：1s流过1m2面积的风所具有的动能3012Ev•风能玫瑰图风向从各方向指向原点，每条射线的长度代表各方位风向频率的百分数与相应风向平均风速立方数的乘积。从风能玫瑰图可以看出哪个方向的风具有能量的优势，对于风电场选址非常重要。4.我国风能资源分布我国风能资源可分为四大区域：东部沿海及岛屿地区、三北（东北、华北、西北）地区、内陆局部地区和海上风能区。我国的风能资源分布4.我国风能资源分布省区风能储量省区风能储量省区风能储量内蒙6,177.5山东393.6湖北192.7西藏3,993.0山西387.1广西168.1新疆3,433.0河南367.5浙江163.5青海2,421.4云南366.6宁夏148.4黑龙江1,722.8江西292.9福建137.2甘肃1,143.0安徽250.5贵州100.6吉林637.5湖南246.5台湾104.8河北611.9江苏237.6海南64.0辽宁605.8陕西234.2四川435.8广东195.0全国合计25,300.0•陆上约有2.53亿千瓦(年电量5000亿千瓦时)•海上约有7.5亿千瓦•合计约10亿千瓦•据中国气象科学院预测，我国经济可开发风能资源为：5.风能转换与利用的主要方式6.风力机的类型•按风轮轴与地面的相对位置，分为水平轴型和竖轴（立轴）型•按叶片工作原理，分为升力型和阻力型•按风力机的用途分类，有风力发电机、风力提水机、风力铡草机、风力脱谷机等•按风轮叶片的叶尖线速度与吹来的风速之比的大小来分，有高速风力机（比值大于3）和低速风力机（比值小于3）；也有把该比值2～5者称为中速风力机•按风机容量大小分类：国际上通常分为小型（100kW以下）、中型（100～1000kW）和大型（1000kW以上）3种；我国则分成微型（1kW以下）、小型（1～10kW）、中型（10～100kW）和大型（100kW以上）4种；也有的将1000kW以上的风机称为巨型风力机•按风轮相对于塔架的位置，分为上风式（前置式）和下风式（后置式）•按风轮的叶片数量，分单叶片、双叶片、三叶片、四叶片及多叶片式•按叶片的形状，可分为螺旋桨式、十字形、H形、O形、S形等•按叶片与轮毂的连接分为定桨型和变桨型风力发电所采用的风力机，水平轴型的占绝大多数，达98％以上。•水平轴型风力机•竖轴型风力机•特殊型风力机升力型风力机•升力型风机依靠叶片产生的升力作为旋转动力以气流中的获取能量阻力型风力机•阻力型风机依靠叶片在气流流动方向上的阻挡作用产生的反作用力作为旋转动力以获取气流中的能量7.风轮的基本理论攻角（迎角）桨距角升力、阻力风轮功率风能利用系数（风轮功率系数）尖速比失速风轮面积叶素扫掠出的平面叶素——叶片半径r处长度为r的微元升力和阻力•叶片弦线与风轮旋转平面之间的夹角称为桨距角。•气流流过翼型时，受到与气流平行的阻力FD，翼型受到向上的合力FL为升力。阻力是风对风轮的正面压力，由风力机的塔架承受；升力是推动风轮旋转的动力。•升力系数CL与阻力系数CD之比称为升阻比。212DDFLwC212LLFLwC•合成风速矢量（相对风速）与叶片翼弦之间的夹角称为攻角（迎角）。•A点称为前缘，B点称为后缘，连接AB的直线段称为翼弦（弦线）。翼弦的长度为L。•翼弦上、下方的弧形表面分别称为上表面和下表面。典型升力和阻力系数与攻角之间的关系曲线•尖速比风轮叶片的叶尖线速度与风速之比Rv——风轮旋转角速度R——风力机叶尖半径v——风速对于叶片数为n的风力机，其最优尖速比可估算为4n从物理本质上看，尖速比反映了风轮叶片“捕捉并转换”风能的能力。尖速比的大小一方面会影响到叶片前缘气流入口的相对速度，另一方面也影响到实际扰流过叶片的气流质量流量。•风轮功率2AR理论上，风轮最多能将59.3%的风能转换为机械能，这称为贝兹极限，实际的风轮效率总是小于此值，一般为0.15～0.46Cp也称为风能利用系数，为风轮功率与风能功率之比3112pNCAv•一台2MW的风电机叶片半径在40m左右。在普通空气密度下，温度10℃，风速6m/s（=21km/h）的情况下，风电机的功率是780kW。在这个风速下，每秒流经风电机的空气是43吨。其中所蕴含的能量相当于一辆小型货车（2.5吨重）开90km/h的时候，或者一台小轿车（700公斤）开170km/h的时候的能量。•当风速达到18m/s（=65km/h）的时候，每秒流经风电机的空气大约是110吨。风速增长到3倍，但风的功率却要增长到3的3次方倍，也就是27倍。这个时候风的功率大约是21MW。312pNCAv•风轮功率与风速的三次方成正比2AR风速•风能利用系数是尖速比和桨距角的函数•尖速比与风能利用系数的关系三叶风力机的风能利用系数曲线是相对最优的，既有较大的峰值曲线又较平坦。这是三叶风力机应用最广泛的原因具有不同叶片数的风力机风能利用系数的对比•风力机叶片数对风能利用系数的影响•风轮机的失速当风速由v0增大到v1时，因转速恒定，则u恒定，故角增大，攻角增大。一旦攻角增大到超过临界值，则叶片上侧的气流分离，形成阻力，对应的阻力系数增大，而升力系数有所减小，最终导致气动力矩和功率减小，称之为失速。•风轮面积设计风力机之前，应根据当地的气象、地理条件确定风力机的额定风速。对于小型风力机，可取当地年平均风速的1.6倍。根据需要的风力机有效输出功率Ne，即可算出风轮直径。38eNDv8.风力机的组成•风力机一般由风轮、传动装置、做功装置、蓄能装置、控制系统、塔架、附属部件等组成“风力致热”是将风能转换成热能。目前有三种转换方法：一是风力机发电，再将电能通过电阻丝发热，变成热能；二是由风力机将风能转换成空气压缩能，再转换成热能；三是将风力机直接转换成热能。第三种方法致热效率最高。•风轮是风力机最重要的部件，其作用是捕捉和吸收风能，并将风能转变为机械能，由风轮轴将能量送至传动装置。•控制系统包括调速（限速）机构和调向机构（偏航系统）。•传动装置是将风轮轴的机械能送至做功装置的机构，如增速机构、齿轮、皮带等•做功装置根据既定意图不同有发电机、水泵、粉碎机、铡草机等•蓄能装置为了把有风或大风时捕捉的能量多余的部分储存起来，供无风时使用，如风力发电机的蓄电池、风力提水机的蓄水罐等•塔架用来支撑风轮、控制系统和机舱等机头部件•附属装置，根据风力机用途还有一些附属装置，如机舱、机座、回转体、停车机构等，它们主要配合主要部件工作，保证风力机的正常运行。9.风力发电机组的构成风力发电机组是由风轮、传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电机、控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组成。9.风力发电机组的构成风力发电机组是由风轮、传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电机、控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组成。1轮毂2变桨系统3主轴承4永磁同步发电机组5测风系统6偏航系统7机舱8机舱控制柜9塔架123456798结构组成9.风力发电机组的构成风力发电机组是由风轮、传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电机、控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组成。9.风力发电机组的构成风力发电机组是由风轮、传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电机、控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组成。9.风力发电机组的构成–叶片是吸收风能的单元，用于将空气的动能转换为风轮转动的机械能。–轮毂的作用是将叶片固定在一起，并且承受叶片上传递的各种载荷，然后传递到发电机转动轴上。–变浆系统通过改变叶片的桨距角，使叶片在不同风速时处于最佳的吸收风能的状态，当风速超过切出风速时，使叶片顺桨刹车。•风轮由叶片、叶柄、轮毂、风轮轴、变桨系统等组成，获取风能并转化为机械能。（1）—风轮轴；（2）—旋转平面；（3）—风轮直径；（4）—叶片轴；（5）—安装角或桨距角•风轮•叶片–数量常为2或3，材料为GFRP或CFP叶片的设计需要满足几项要求：•对特定的风速具有最大的转换效率；•最大功率输出在限制范围内，以保护发电机；•可承受最大风荷和长期疲劳负荷；•避免出现共振；•质量小，价格低。•风轮•轮毂–随叶片数量性状有所不同–材质通常为球墨铸铁–设计计算采用有限元方法•风轮风轮设计步骤：（1）根据风轮机特性曲线查取最优风能利用系数和尖速比配合（2）由Cp确定风轮机半径（3）确定风轮机转速30vnR•风轮•主轴–主要作用是将风轮力矩传递给齿轮箱或发电机–需要承受大扭矩–和疲劳载荷,材质一般为35CrMo,40CrNiMo或37SiMn2Mo–通常有配套的主轴轴承座–某些方案将主轴集成到齿轮箱•传动系统一般包括低速轴（主轴）、高速轴、齿轮箱、联轴节和刹车装置。•齿轮箱–增速比一般为60～80–核心部件之一，是风力发电机组最重最昂贵的部件，设计和制造都有相当难度。主要是材质成分、热处理和加工精度要求很高•高速轴–一般用玻璃钢构成，附带高速轴刹车（刹车盘和刹车钳）作用：是将风力机轴上的低速旋转输入转变为高速旋转输出，以便与发电机运转所需要的转速相匹配。类型：1级行星齿轮和两级斜齿轮，1级行星齿轮和两级直齿轮•传动系统•发电机–典型类型：异步式，双馈式，同步机（永磁或电励磁）–冷却方式：空-空冷却，空-水冷却，水套式冷却微型及容量在10kW以下的小型风力发电机组，采用永磁式或自励式交流发电机，经整流后向负载供电及向蓄电池充电；容量在l00kW以上的并网运行的风力发电机组，则应用同步发电机或异步发电机。为了与电网频率保持一致，通常的发电机组采用：恒速恒频系统，利用风能的份额小；变速恒频系统，是目前风能发电的重要发展方向。•偏航系统作用：用来调整风力机的风轮叶片旋转平面与空气流动方向相对位置的机构。因为当风轮叶片旋转平面与气流方向垂直时，也即是迎着风向时，风力机从流动的空气中获取的能量最大，因而风力机的输出功率最大，所以又