风能解析课件

第二章风

能

风能资源背景

风能是太阳能转换的一种形式，是一种重要的自然资源。据有关专家估计，全球一年中约为1.4×1016千瓦时电力能力，相当于目前全世界每年所燃烧能量的3000倍。可利用的风能比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。加强可再生能源的使用加强可再生能源的使用，能使气候得到保护和改善，也才能使我们地球上的生命质量得以保证。不管怎样，近几十年以来，风力发电和水能等可再生能源的运用已成为我们科技和文化内容的一部分。新能源的技术进程非常快，特别是在风能领域。现代的风力发电机的运作是有效和无噪音的：仅一个1,500kW的风力发电机发电量就能供给1,000户家庭的用电或铁路公司两台发动机的用电量。在今天的德国Schleswig-Holstein,15%电力供应来自于风力电，在Nordfriesland地区，大约有70%的电来自于风力发电。在2020年的德国将用25,000台风力发电机的发电量供应全国用电量的30%。到2030年，丹麦全国50%的用电量将由风力发电供给。第二章风能风能资源背景加强可再生能源的使用第二章-风能解析课件全球风电装机容量分布资料来源：GWEA，海通证券研究所2006年欧洲风电装机占比由69.4%下降至65.4%，美洲和亚太地区占比迅速上升,其中中国和印度是亚洲风电增长的主要地区全球风电装机容量分布资料来源：GWEA，海通证券研究所200地球上风的运动方向

地球上风的运动方向风的形成

地球上任何地方都在吸收太阳的热量，但是由于地面每个部位受热的不均匀性，空气的冷暖程度就不一样，于是，暖空气膨胀变轻后上升；冷空气冷却变重后下降，这样冷暖空气便产生流动，形成了风。而且由于地球自转、公转的力量及地形之不同也更加强风力和风向之变化多端。在转动参考系内作匀速运动的质点，除受惯性离心力个，还受另一种虚拟力——科里奥利力。科里奥利1792---1843关于科里奥利力风的形成在转动参考系内作匀速运动的质点，除受惯性离心力个，我们先从一个简单的例子说起。如图：设在以角速度ω沿逆时针方向转动的水平圆盘上，有A，B两点，O为圆盘中心，且有OA>OB，在A点以相对于圆盘的速度V沿半径方向向B点抛出一球。如果圆盘是静止的，则经过一段时间△t=（OA－OB）/V后，球会到达B，但结果是球到达了B转动的前方一点B’，对这个现象可如下分析，由于圆盘在转动，故球离开A的时，除了具有径向速度V’外，还具有切向速度V1，而B的切向速度为V2，由于B的位置靠近圆心，所以V1＞V2，在垂直于AB的方向上，球运动得比B远些。这是在盘外不转动的惯性系观察到的情形。ABOB‘引例我们先从一个简单的例子说起。如图：设在以角速度ω沿逆时针方向

对于以圆盘为参考系的B，他只看到A以初速度向他抛来一球，但球并未沿直线到达他，而是向球球运动的前方的右侧偏去了，这一结果的分析发现，地球在具有径向初速度V’的同时，还具有了垂直于这一方向而向右的加速度a’，应用牛顿第二定律对于加速度的解释，既然球出手后在水平方向上没有受到“真实力”的作用，那么球一定受到了一个垂直于速度V’而向右的惯性力Fc。这种在转动参考系中观察到的运动物体（由于转动参考系中各点的线速度不同而产生）的加速现象中科里奥利效应，产生此效应的虚拟的惯性力叫科里奥利力。

一般地可以证明，当质量为m的质点相对于转动参考系（角速度矢量为ω）的速度为V时，则在转动参考系内观察到的科里奥利力为

Fc=2mV×ω。

对于以圆盘为参考系的B，他只看到A以初速度向他抛来第二章-风能解析课件赤道与南北纬30度之间的大气环流系统北纬30度至60度之间的大气环流系统北纬60度至北极之间的大气环流系统全球大气环流示意赤道与南北纬30度之间的大气环流系统北纬30度至60度之间的增温快

（热源）增温快

（热源）增温慢

（冷源）谷风山谷风谷风的形成增温快

（热源）增温快

（热源）增温慢

（冷源）谷风山谷风谷山谷风降温快（冷源）降温快（冷源）降温慢（热源）山风山风的形成山谷风降温快（冷源）降温快（冷源）降温慢（热源）山风山风的形风向和风速

在气象上，风常指空气的水平运动，并用风向、风速（或风力）來表示。风向指风的來向，一般用16个方位或360度來表示。以360度表示时，由北起按顺时針方向量度。风速指的是单位时间內空气的行程，常以米/秒、公里/小时、海里/小时來表示。

风能密度

风是空气的水平运动。我们把空气运动产生的动能称为“风能”。空气在一秒钟时间里以V速度流过单位面积产生的动能称为“风能密度”。

风能的计算风能密度的计算公式：风能ω=0.5ρν3A风能密度W=（ρ∑Niνi3）/（2N）式中W——平均风能密度，W/m2νi——等级风速，m/sNi——等级风速νi出现的次数N——各等级风速出现的总次数ρ——空气密度，kg/m3风向和风速风能密度风能的计算风的变化

风随时间的变化风随高度的变化

风的随机性变化

通过截面积的风所含的能量，常以W/m2表示。风能密度与空气密度有直接关系;一般，海边地势地，气压高，空气密度大，风能密度就高。高山气压低，空气稀薄，风能密度就小些;如果高山风速大、气温低仍有相当大的风能潜力。风的变化风随时间的变化通过截面积的风所含的能量，常风力等级表

注：本表所列风速是指平地上离地10米处的风速值风力等级表注：本表所列风速是指平地上离地10米处的风速值风能特点四大优点：1)蕴量巨大；2)可以再生；3)分布广泛；4)没有污染三大弱点：1)密度低：由于风能来源于空气的流动，而空气的密度是很小的，因此风力的能量密度也很小，只有水力的1/1000；2）不稳定：由于气流瞬息万变，因此风的脉动、日变化、季变化以至年际的变化都十分明显，波动很大，极不稳定；3）地区差异大：由于地理位置和地形的影响，风力的地区差异非常明显。即使在一个邻近的区域，有利地形下的风力，往往是不利地形下的几倍甚至几十倍。风能利用

：风能是利用风力机将风能转化为电能、热能、机械能等各种形式的能量，用于发电、提水、助航、制冷和制热等。风力发电常用方式

独立运行方式；风力发电与其他发电方式相结合；风力发电并入常规电网运行风能特点四大优点：1)蕴量巨大；2)可以再生；3)分布广泛；风力发电系统的种类并网的风电系统涡轮风机产生电力进入交流变频系统转换为交流电网频率的交流电进入电网由于风电的输出功率不稳定风电场装机容量占所接入电网的比例不宜超5%-10%，且电网需配备一定的备用负荷独立的风电系统 向用电负荷供电 风力发电 逆变器直流电蓄电池混合型风电系统风力发电+柴油机发电风力+（水电解制氢+氢能发电）风力发电系统的种类风力发电

太阳辐射到地球之能量中的2%变成风力，其中0.1%可供为风力发电之用，因此只要充分利用风力的2%左右即可够人类中所需，风力发电的风能收集器是风车叶片以吸收风的动能，然后传到旋转轴再带动发电机发电，且能够供应全国，可减少石油燃料的消耗。风力发电是可再生能源发电中增长速度最快、最有商业化前景的产业。据欧洲风能协会1999年10月的一项报告预测，到2020年，风力发电将提供世界电力需求的10%，创造170万个就业机会，并在全球范围內减少100多亿吨二氧化碳废气。

风力发电全球的风电发展

鉴于八十年代的石油危机，许多欧洲国家开始寻求出路，最积极的是丹麦，自八十年代开始热衷的支援风力发电，德国是自一九九一年开始立法(规定风电电价为最终用户价格的百分之九十)，随后也有风起云涌的发展。１８９１年，世界首台风力发电机由丹麦ＬａＣｏｕｒ教授研制成功，单机容量９千瓦。现在５００～６００（1500）千瓦级的机组已成为风力发电的主力机组，１０００（5000）千瓦级的机组已商品化。将许多台风力发电机集中安装在一片土地上，称风力发电场，简称风电场。中国新疆达阪城风电场，总装机容量７．１９万千瓦。全球的风电发展全球的风电发展

2006年全球风电新增装机容量超过1500万kW，为历史上新增容量最多的年份，比2005年的年度新增容量增长了32%，到2006年底，全球风电装机总容量从2005年的5909万kW增加到7422万kW(~30个核电厂)，比2005年增长25.6%。2008年世界风电新增装机容量为2706万千瓦，累计装机突破1亿千瓦，达到1.2亿千瓦，增长速度为28.8%。欧洲、北美和亚洲是世界风电发展的三大主要市场，2008年当年新增装机容量分别是887.7、888.1和858.9万千瓦，占世界风电装机总量的95%以上。在工业化国家，0．1万千瓦的风电即可满足350户、近1000人的电力需求，而2330万千瓦电力便可满足2300万人——相当于丹麦、芬兰、挪威和瑞典总人口的电力需求。全球的风电发展丹麦政府对风力发电的扶持政策可以归纳如下：1、投资风能和其它可再生能源可以免交碳税；2、建立风力发电发展的自愿体系，并用法律的形式加以固定；3、通过对外援助支持风力机出口；4、制定风力发电的目标；5、提供投资补贴（太阳能热利用和生物质能补贴30%、风能补贴15%）；6、支持技术开发和研究，支持示范工程；7、建立国家级的风力机测试中心等。丹麦政府对风力发电的扶持政策可以归纳如下：

2005年全球前十大风电设备厂占据全球市场分额高达95%，其中前三家占据59.9%全球风电市场市场高度集中

资料来源：GWEC

2005年全球前十大风电设备厂占据全球市场分额高达95%风力机

风力机是将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。许多世纪以来，风力机同水力机械一样，作为动力源替代人力、畜力，对生产力的发展发挥过重要作用。近代机电动力的广泛应用以及二十世纪50年代中东油田的发现，使风力机的发展缓慢下来。风车最早出现在波斯，起初是立轴翼板式风车，后又发明了水平轴风车。风车传入欧洲后，15世纪在欧洲已得到广泛应用。荷兰、比利时等国为排水建造了功率达66千瓦以上的风车。18世纪末期以来，随着工业技术的发展，风车的结构和性能都有了很大提高，已能采用手控和机械式自控机构改变叶片桨距来调节风轮转速。在第二次世界大战前后，由于能源需求量大，欧洲一些国家和美国相继建造了一批大型风力发电机。1941年，美国建造了一台双叶片、风轮直径达53.3米的风力发电机，当风速为13.4米/秒时输出功率达1250千瓦。风力机风力机是将风能转换为机械功的动力机械，又称风风力机

风力机的主要部件是风能接收装置。一般说来，凡在气流中能产生不对称力的物理构形都能成为风能接收装置，它以旋转、平移或摆动运动而发出机械功。英国在50年代建造了三台功率为100千瓦的风力发电机。其中一台结构颇为独特，它由一个26米高的空心塔和一个直径24.4米的翼尖开孔的风轮组成。风轮转动时造成的压力差迫使空气从塔底部的通气孔进入塔内，穿过塔中的空气涡轮再从翼尖通气孔溢出。法国在50年代末到60年代中期相继建造了三台功率分别为1000千瓦和800千瓦的大型风力发电机。

风力机大都按风能接收装置的结构形式和空间布置来分类，一般分为水平轴结构和垂直轴结构两类。水平轴风力机按叶片形式有双叶式、三叶式和多叶式，按气流方向分顺风式和逆风式，还有扩散器式、集中器式等。垂直轴风力机有Ｓ型叶片式、Ｓ型多叶片式、Ф型风轮、太阳能风力透平、偏导器式等。风力机风力机的主要部件是风能接收装置。一般说来，凡风力机的分类

以风轮作为风能接收装置的常规风力机为例，按风轮转轴相对于气流的方向可分为水平轴风轮式(转轴平行于气流方向)、侧风水平轴风轮式(转轴平行于地面、垂直于气流方向)和垂直轴风轮式(转轴同时垂直于地面和气流方向)。风力机（风力发电机的功率分）微型风力发电机，其额定功率为50~1000W小型风力发电机，其额定功率为1~10kW中型风力发电机，其额定功率为10~100kW大型风力发电机，其额定功率大于100kW。阻力型风力机（杯式）；升力型风力机（D型风轮）；升力型风力机（D型风轮）风力机的分类以风轮作为风能接收装置的常规风力机为例，按风轮风力发电的原理风力发电机的组成风轮（空气的动能风轮旋转的机械能）空气动力学的升力、阻力发电机（包括传动装置）调向器（尾翼）塔架限速安全机构储能装置风力发电的原理风力机世界上已有数万台风力机在运行，作为辅助能源正在发挥这巨大的作用。但风力机仍存在若干不足之处，首先是能量输出不稳定，特别是大型风力机的利用率低，作为独立能源的条件还不具备；其次，风力机的安全可靠性尚无充分保障；另外，风力机的成本在短期内尚不足以与矿物燃料相竞争。但是，随着人类对能源需求量的日益增多和科学技术的发展，上述问题终会得到解决。

风力机世界上已有数万台风力机在运行，作为辅助能源正在发挥这巨垂直轴风力发电机FD5.0-3KW风力发电机（28000元/台）

C型叶片半径(bladeradius)r:260mm

额定风速（ratedwindspeed）:10m/s

额定功率（ratedoutputpower）:3000w

最大功率（maxpower）:4500w

输出电压（outputVoltage）:220V

启动风速（startupwindspeed）:3m/s

工作风速（workwindspeed）:3-25m/s

安全风速（securitywindspeed）：40m/s

塔架类型（towertype）:直径133mm的拉锁钢管（∮133mmpullwiretubulartower）

塔高（towerhigh）:8m

顶部质量（topquality）:215kg

输出控制系统（outputcontrollersystem）：控制器和纯正弦波逆变器(controller&winewaveinverter)

使用寿命（servicelife）:20-25year

可带负载：空调、加油站、收费站、冰箱、洗衣机、水泵、电饭锅、彩电、照明、电风扇、充电

垂直轴风力发电机FD5.0-3KW风力发电机（28000风能利用的巨大优势

风力资源非常丰富风力资源是清洁型，节约型能源风能是一种便宜的能源风能对土地的占用率极小风能非常安全内陆地区的风能利用能带来更好的经济效益风能技术有广泛的适用性风能技术对于发展中国家来说是比较理想的风能的利用是一种先进技术的利用风能的发展增加就业机会风力发电机有非常好的可靠性

风能利用的巨大优势风力资源非常丰富丰富的风力资源风力资源不但丰富而且是可再生的资源。有很多国家正计划把大量消耗的电量由风力发电来提供，而丹麦就是其中国家之一。按照丹麦的政府计划（能源21），到2030年，全国的用电量有50%将来源于风力发电。如果把沿欧洲海岸边上的风力资源全利用上，其所产生的电量将会是全欧洲供电量的几倍。就丹麦而言，全国40%的耗电量可由安装在浅海区域的1千平方公里的海上风厂提供。风力资源是清洁型，节约型能源

风力发电机消耗能源仅发生在从空气的带动到发动机的过程中，一个新型的1,000KW风力发电机年平均可减少其他电力资源所产生的2,000吨二氧化碳。（根据统计:每节约1度(kW.h)电，就相应节约了0.36千克标准煤，同时减少污染排放0.272千克碳，0.785千克二氧化碳。）风能是一种便宜的能源

风能已成为现有能源中最便宜的可更新的能源。由于风能的构成由风的立方变化数构成（如风速的立方数），其经济效益很大程度上取决于风场的风力怎样，所以安装越多风力发电机的风场具有越高的经济效益。丰富的风力资源风力资源是清洁型，节约型能源风能是一种便宜风能优点：风能安全，就环境保护而言，风力资源的利用不产生辐射和残渣物。

内陆地区的风能利用能带来更好的经济效益

风能的发展增加就业机会风能对土地的占用率极小

风力工业拥有一个迅速发展的市场

风能的利用是一种先进技术的利用风能技术的广泛适用性

风力发电机的可靠性风能技术对于发展中国家来说是比较理想的风能的广泛性

风力发电机与野生动物的和平共处

风能优点：我国风能资源

中国风能资源居世界之首，据中国气象科学研究院绘制的全国平均风功率密度分布图，中国陆地10M高度层的风能总储量为32.26亿kW，这个储量称作“理论可开发总量”，实际可开发的风能资源储量为2.53亿kW。我国风能北方强而南方弱，沿海强而内陆弱，平原强而山区弱，冬春强而夏秋弱。

我国风能潜力的估算风能理论可开发总量（R），全国为32.26亿千瓦，实际可开发利用量（R’），按总量的1/10估计，并考虑到风轮实际扫掠面积为计算气流正方形面积的0.785倍[1米直径风轮面积为0.52×＝0.785（平方米）]，故实际可开发量为：

R’＝0.785R/10=2.53（亿千瓦）。

我国风能资源中国风能资源居世界之首，据中国气象科学我国的风能资源

我国位于亚洲大陆东部，濒临太平洋，季风强盛，内陆还有许多山系，地形复杂，加之青藏高原耸立我国西部，改变了海陆影响所引起的气压分布和大气环流，增加了我国季风的复杂性。冬季风来自西伯利亚和蒙古等中高纬度的内陆，那里空气十分严寒干燥冷空气积累到一定程度，在有利高空环流引导下，就会爆发南下俗称寒潮，在此频频南下的强冷空气控制和影响下，形成寒冷干燥的西北风侵袭我国北方各省（直辖市、自治区）。每年冬季总有多次大幅度降温的强冷空气南下，主要影响我国西北、东北和华北，直到次年春夏之交才消失。

夏季风是来自太平洋的东南风、印度洋和南海的西南风，东南季风影响遍及我国东半壁，西南季风则影响西南各省和南部沿海，但风速远不及东南季风大。热带风暴是太平洋西部和南海热带海洋上形成的空气涡漩，是破坏力极大的海洋风暴，每年夏秋两季频繁侵袭我国，登陆我国南海之滨和东南沿海，热带风暴也能在上海以北登陆，但次数很少。我国的风能资源我国位于亚洲大陆东部，濒临太平洋，季风强盛，我国的风能资源

我国幅员辽阔，陆疆总长达2万多公里，还有1800O多公里的海岸线，边缘海中有岛屿5000多个，风能资源丰富。我国现有风电场场址的年平均风速均达到6米／秒以上。一般认为，可将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。就内陆而言，大约仅占全国总面积的1／1OO，主要分布在长江到南澳岛之间的东南沿海及其岛屿，这些地区是我国最大的风能资源区以及风能资源丰富区，包括山东、辽东半岛、黄海之滨，南澳岛以西的南海沿海、海南岛和南海诸岛，内蒙古从阴山山脉以北到大兴安岭以北，

新疆达板城，阿拉山口，河西走廊，松花江下游，张家口北部等地区以及分布各地的高山山口和山顶。

青藏高原地势高亢开阔，冬季东南部盛行偏南风，东北部多为东北风，其他地区一般为偏西风，夏季大约以唐古拉山为界，以南盛行东南风，以北为东至东北风。我国的风能资源我国幅员辽阔，陆疆总长达2万多公里，还有18中国风能分区及占全国面积的百分比

中国风能分区及占全国面积的百分比我国风能的分布

风能最佳区：指风速3米／秒以上超过半年。6米／秒以上超过2200小时的地区。包括西北的克拉玛依、甘肃的敦煌、内蒙的二连等地，沿海的大连。威海、嵊泗、舟山、平潭一带。风能较佳区：指一年内风速超过3米／秒在4000小时以上，6米／秒以上的多于1500小时的地区。包括西藏高原的班戈地区。唐古拉山，西北的奇台、塔城，华北北部的集宁、锡林浩特、乌兰浩特；东北的嫩江、牡丹江、营口以及沿海的塘沽、烟台、莱州弯、温州一带。风能可利用区：指一年内风速大于6米／秒的时间为1000小时，风速3米／秒以上，超过3000小时的地区。包括新疆的乌鲁木齐、吐鲁番、哈密、甘肃的酒泉、宁夏的银川以及太原、北京、沈阳、济南、上海、合肥等地区。我国风能的分布风能最佳区：指风速3米／秒以上超过半年。6米我国风能分布

根据最新风能资源评价,全国陆地可利用风能资源3亿kW,加上近岸海域可利用风能资源,共计约10亿kW。主要分布在两大风带:一是“三北地区”(东北、华北北部和西北地区);二是东部沿海陆地、岛屿及近岸海域。另外,内陆地区还有一些局部风能资源丰富区。我国风能分布根据最新风能资源评价,全国陆地可利用风能资源3中国风能利用中国利用风能已有悠久的历史，古代甲骨文字中就有“帆”字存在，1800年前东汉刘熙著作里有“随风张幔曰帆”的叙述，说明我国是利用风能最早的国家之一。1637年明崇祯十年<天工开物>书里有“扬郡以风帆数页，俟风转车，风息则止”的记载，表明在明代以前，我国劳动人民就会制作将风力的直线运动转变为风轮旋转运动的风车，在风能利用上前进了一大步。中国风能利用中国利用风能已有悠久的历史，古代甲骨文字中就有“我国的风能利用的历史进程

我国东南沿海向来有风力提水的使用习惯，江苏省1959年曾有多达20余万台提水风车，后来大部分风车被柴油、电力所取代，但部分地区一直使用风力提水。50年代中期曾研制小型现代化风力提水装置，50年代后期开始研究小型风力发电机组，但限于当时技术经济条件，小型机组在试验中受挫而停顿。至70年代，先后试制了1、2、10、12、18、20千瓦样机，其中18千瓦机组于1972年7月安装在浙江省绍兴县雄鹅峰上，1976年11月迁装到嵊泗县菜园镇运转发电，一直运行到1986年8月。1998年底，全国安装微型机组178574台，约计1.7万千瓦，还有独立供电机组，已有1.2、2.5、5、7.5和10千瓦，以销定产小批量生产。在网外无电地区，推广微型、小型风电机组，是解决无电农牧民用电的有效途径，有其独特的优越性，也是中国发展微型、小型风电机组的特色。

我国的风能利用的历史进程我国东南沿海向来有风力提水的使用习风/光互补发电系统

风/光互补发电系统，能有效地利用自然资源。在我国很多地区，冬半年风大，太阳辐射强度小；夏半年风小，太阳辐射强度大，两种能源的分布季节正好相反，互补利用可满足用户用电需求。

风/光互补发电系统风/光互补发电系统，能有效地利用自然资源我国风电总装机容量

我国1993年仅1.71万千瓦，1997年跃升至16.65万千瓦，1998年再增至22.6万千瓦，2000年风电要占全国电网的百分之一。说明我国发展风电速度很快，也说明发展潜力很大。预计21世纪将是我国风能大发展时期。2009年上半年风力发电达到126亿千瓦时。风力发电装机容量连续三年实现“翻倍增长”，总装机容量目前已居世界第四位（2008，12210MW)。（2013年“一哥”？）我国风电总装机容量我国1993年仅1.71万千瓦，1997我国风能利用现状

风力能源实际用途还包含:1.用风力产生电力。2.利用风力抽水，供灌溉农田，并且储存到水库内。3.供给工业用途，包括:铜、铝、水的电解，制冰等。4.将风能转变为热能，蒸发海水制盐。

如按风能之最终使用形式，包括有下列几种应用:电能、化学能(制造氢、氧及氨等)、热能(压缩及热泵等)、位能(水力储存及抽水等)。我国风能利用现状风力能源实际用途还包含:如按风能之最终使用我国风能利用現狀

我国风能利用現狀2009年中国风电总装机容量和新增量、2020年预测

《中国风电发展报告2010》：中国已成为世界风能行业当之无愧的领头羊。2009年中国风电新增装机达到1380万千瓦，超过了美国，成为当年新增风电装机容量的世界第一。当年新安装风机总数达到10129台，平均每天安装27台，这相当于每小时就可以竖起一台风机。与此同时，中国风电累计装机容量为2580万千瓦，仅次于美国的3506万千瓦。据了解，该报告指出，中国的风能潜力巨大，到2020年风电累计装机可以达到2.3亿千瓦，这相当于13个三峡电站；总发电量可以达到4649亿千瓦时