新能源技术风能与风力发电

新能源与分布式发电技术第3讲风能与风力发电第3讲风力发电关注的问题风是最常见的自然现象之一。风是怎样形成的？人类何时开始懂得对风能的利用？又是如何利用的？风力发电的原理是怎样的？风力发电的设备什么样？风力发电能达到什么样的规模？发展状况如何？教学目标了解风资源情况和风能利用的发展历史，掌握风力发电的基本原理和主要设备，理解风力发电的重要意义和发展前景。§3.1

风能利用的历史人类利用风能的历史，至少可以追溯到5000多年以前。埃及可能是最先利用风能的国家。趣闻：风能与金字塔（见教材）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。§3.1

风能利用的历史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。唐吉诃德大战风车的故事听说过吧？（教材引例故事）除了磨面、榨油、造纸、锯木等生产作业之外，

在比利时等地势较低国家还用风车来排水。§3.1

风能利用的历史至少在3000年以前，我国就出现了帆船。中国最辉煌的风帆时代是明代，郑和下西洋，庞大的风帆船（见教材）在那几次举世闻名的航行中功不可没。郑和的“准环球”旅行，比西方的哥伦布和麦哲伦早了好几百年。§3.1

风能利用的历史公元前数世纪我国人民就开始利用风力提水、灌溉、磨面、舂米等。1300多年前宋代的一种垂直轴“走马灯式”，一直沿用到新中国成立（见教材）。中国沿海沿江地区的风力提水灌溉或制盐的做法，曾经非常盛行，仅在江苏沿海利用风力的设备就曾多达……。我国使用最广泛的是“斜杆式”风车，直到今天，沿海地区农田和盐场中仍有上千台之多。§3.2

风和风资源§3.2.1

风的形成地球转动，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。§3.2.1

风的形成按照形成原因，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。§3.2.1

风的形成一般，在晴朗而且昼夜温差较大的沿海地区，白天吹来海风，夜晚则有陆风吹向海上。在山区，白天谷风从谷底向山上吹，晚上山风从山上向山下吹。大陆与海洋的热容量差别，还会形成季节性的气压变化。以中国的华北地区为例，冬季内陆气温低，多形成高气压区，空气流向东南方向的海洋低气压区，所以在冬季多刮西北风。而夏季正好相反，我国大部分地区常刮东南风。。§3.2.2

风的描述（1）风向就是风吹来的方向。例如，南风。早在商代，就有对风向的定义和观测，见教材（2）风速就是单位时间内空气在水平方向上移动的距离。

通常指一段时间内的风速的算术平均值。（3）风能和风能密度风中流动的空气所具有的能量，称为风能。

风能密度，就是单位面积上流过的风能。§3.2.3世界风资资源有专家估估计，地地球上的的风能，，大约是是目前全全世界能能源总消消耗量的的100倍，相当于于……万亿吨煤煤蕴藏的能能量。据世界气象象组织估计，全全球大气气中蕴藏藏的总的的风能功功率约为为1014MW，其中可可被开发发利用的的风能约约有……MW。全球的风风能折算算为电能能，相当当于2.74万亿度，其中可可利用的的相当于于……亿度电。地球1.07亿平方公公里的陆陆地表面面，平均风速速高于5m/s（距地面面10m高处）的的面积约占占27%。据分析，，其中只只有4％左右的面积有有可能安装装风力发发电机。以目前前的技术术水平，，每平方公公里的风风能发电电量为330千瓦左右，平平均每年发电电量的合理估估计为……万度左右。§3.2.4我国风资资源研究表明明，全国国平均风能能密度约约为100W/m2，全国风风能总储储量约48亿兆瓦，，陆上和近近海区域域10米高度可开发风风能资源源储量约约为10亿千瓦，其中有很好开开发利用用价值的的陆上风风资源大大约有……千瓦。§3.2.4我国风资源源中国气象局局风能太阳阳能资源评评估中心，，公布了全全国平均风速分分布和有效风功率率密度分布布情况，参见见教材图3.4和图3.5。§3.3风力机的种种类各种类型的的风力机，，都至少包包括叶片（（有些称为为桨叶）、、轮毂、转转轴、支架架（有些称称为塔架））等部分。。其中由叶叶片和轮毂毂等构成的的旋转部分分又称为风轮。按转轴与风风向的关系系，风力机机大体上可可分为两类类：－水平轴风力力机（风轮的旋转轴与风风向平行）；－垂直轴风力力机（风轮的旋转轴垂直直于地面或或气流方向向）。§3.3.1水平轴风力力机(1)荷兰式风力力机12世纪初荷兰人发明，曾在在欧洲(荷、比、西西等国)广泛使用。。这可能是是出现最早的水平平轴风力机机。荷兰风车有有两种形式式，详见教教材。§3.3.1水平轴风力力机(2)螺旋桨式风风力机螺旋桨式水水平轴风力力机目前技术最成熟熟、生产量最多多。其翼型与飞飞机的翼型型类似，一一般多为双双叶片或三三叶片，也也有少量用用单叶片或或四叶片以以上的。§3.3.1水平轴风力力机(3)多翼式风力力机也叫多叶式风力机，一一般装有20枚左右的叶叶片，是典典型的低转速大扭扭矩风力机。§3.3.1水平轴风力力机(4)离心甩出式式风力机是一种不直接利用用自然风的独特设计计。采用空心叶叶片。结构比较复复杂，通道道内空气流流动的摩擦损失大大，总体效率很很低。§3.3.1水平轴风力力机(5)透平式风力力机也叫涡轮式风力机，其其结构形式式燃气轮机机和蒸汽轮轮机类似，，由静叶片和动动叶片组成。这种风力机机的叶片短，强度高，尤其适用于强风风场合，例如南极极和北极地地区。§3.3.1水平轴风力力机(5)压缩风能型型风力机是一种特殊殊设计的风风力机，图见教材，利用装在叶叶轮外面的的集风器或或扩散筒，，提高经过风风轮的空气气密度，

或者增加风轮两两侧的气压压差，

从而提提高风能吸吸收的效果果。还有安装和成本本上的问题题需要解决。。§3.3.2垂直轴风力力机(1)萨布纽斯式式（S式）风力机机芬兰工程师师萨布纽斯斯发明，我我国简称为为S式。通常由两枚枚半圆筒形形的叶片所所构成，也也有用3～4枚的。主要要靠两侧叶叶片的阻力力差驱动，，能产生很大的的扭矩。但是能够提提供的功率输出较较低，

效率最最大不超过过10%。为提高效率率，可多层层重叠（图见教材）§3.3.2垂直轴风力力机(2)达里厄型（（D式）风力机机法国工程师师达里厄发发明。常见有Φ、H形结构等（（图见教材））。有较高的功率率输出，不过它的的起动扭矩低低。装置简单，，成本也比比较低，是水平轴风力力机的主要要竞争者。(3)S式和D式组合风力力机把输出性能好好的D式风力机和启动性能好好的S式风力机组合在一起使用用（图见教材），可以兼兼顾输出能能力、起动动力矩和成成本。§3.3.2垂直轴风力力机(4)旋转涡轮式式风力机靠压差推动动的横流式风风力机，其其原理受通通风机的启启发演变而而得。教材材给出了一一种多叶型型旋转涡轮轮式风力机机的照片。。结构复杂价价格也较高高，有些能改改变桨距，，起动性能好好，能保持一一定的转速速，效率极高。§3.3.2垂直轴风力力机(5)美格劳斯效效应风力机机美格劳斯效效应风力机机由自旋的的圆柱体组组成，在气气流中工作作时，产生生的移动力由美美格劳斯效效应（参见教材）引起，大小与风风速成正比比。在大的的圆形轨道上上移动的小小车上装上回转转的圆筒，，由风力驱驱动小车，，用装在小车轴上的的发电机发发电。§3.4水平轴风力力机的结构构和原理§3.4.1水平轴风力力机的结构构目前应用较多的的是水平轴风力力机，且多用螺旋桨型叶叶片。水平轴风力力机主要包包括风轮、塔架、机舱等部分。－风轮是由轮毂及及安装于轮毂上的若干叶片(桨叶)组成，是风风力机捕获获风能的部部件；－塔架是风力机的的支撑结构构；－机舱内集中放置置调向装置置、

控制制装置、传传动机构、、发电机等等。§3.4.2水平轴风力力机的原理理翼型及其受受力在与飞行器器设计有关关的空气动动力学中，，升力是促使使飞行器飞飞离地面的的力，因而被称称为升力。。当攻角为0º时，升力最最小。当气流方方向与物体体表面垂直直时，物体体受到的阻阻力最大。。§3.4.2水平轴风力力机的原理理伯努利效应应空气的压力与气流流的速度有有一定的对对应关系，流速越快，，压力越低低，这种现象象叫作伯努利效应应。翼型上表面面凸起部分分的气流较较快，上表表面的空气气压力比下下表面明显显要低，从从而对翼型型物体产生生向上的““吸入”作作用，增大大升力。§3.4.2水平轴风力力机的原理理桨距（节距距角）攻角与叶片片的安装角角度有关。叶片的安装装角称为节距角，有时也称称之为桨距，常用字母母θ表示。当风轮旋转转时，叶片片在垂直于于气流方向向的方向上上也与气流流有相对运运动，因而而实际的攻攻角α与叶片静止止时的攻角角不一样。。§3.4.2水平轴风力力机的原理理风能利用系系数任何类型风风力机都不不可能将接接触的风能能全部转化化成机械能能。风力机能够够从风中吸吸取的能量量，与风轮轮扫过面积积内的全部部风能(未受风轮干干扰时)之比，称为为风能利用系系数。根据Betz理论(见教材)，风能利用用系数有理理论最大值值，约0.6。风能利用系系数主要取取决于风轮轮叶片的设设计（如攻攻角、桨距距、翼型））以及制造造水平，还还和转速有有关。高性性能的螺旋旋桨式风力力机，Cp值一般在0.45左右。§3.4.2水平轴风力力机的原理理叶尖速比叶片尖端旋旋转速率与上游未受受干扰的风速之比，称叶尖速比，常用字母母λ来表示。风能利用系系数Cp与叶尖速比比有关，详详见教材。。当取特定值时时Cp值最大，称称之为最佳叶尖速速比。§3.4.2水平轴风力力机的原理理容积比也叫实度，，表示“实实体”在扫扫掠面积中中所占的百百分数。多叶片风力力机具有很很高的容积积比，被称称为高容积积比风力机机；

具有有少数几个个窄叶片的的风力机，，则被称为为低容积比比风力机。。多个叶片会会互相干扰扰，因此总总体上高容容积比的风风力机效率率低。不过过，空气动力学学噪声一般般较小。低容积比风风力机，如如果叶尖速比太太低，有些风会直接吹吹过转子的扫掠掠面积；如如果叶尖速比太太高，一些气流流将绕开风风力机流过过。§3.4.2水平轴风力力机的原理理力矩和转速速风力机机械能等于叶片角速度与风作用于于风轮的力矩的乘积。获取风能相相同，角速度小，，则力矩大大；角速度大大，则力矩矩小。低速风力机机的输出功功率小，扭扭矩系数大大，用于磨磨面和提水水的风力机机，常采用用多叶片风风力机。高速风力机机效率高、、输出功率率大，因此此风力发电电常用2～3叶片。§3.4.2水平轴风力力机的原理理取自风能的的功率风力机捕获获风能转变变为机械功功率：一般不易对对空气密度度、风速、、叶片半径径等进行实实时控制，，为了实现现风能捕获最最大化，唯一的控制参数就是风能利用系系数Cp。主要是控制制叶尖速比比和桨距等等。§3.4.2水平轴风力力机的原理理工作风速风力机并不不是在所有有风速下都都能正常工工作。起动风速——“切入风速”；“额定风速”；停机风速——“切出风速”。§3.4.3风力机的功功率调节方方式定桨距风力力机功率调调节风轮叶片的的桨距角固定定不变，利用叶片的的失速特性性调节风力机的输输出功率。。在额定风速速以下，吸吸收的能量量随流速上上升而增加加；当超过额定风风速后，叶片翼型发生变变化，叶片后侧侧的气流分分离产生湍流，叶片效率急剧下下降，输出功率率不随风速速上升而增增加。失速型叶片存在扭扭角，失速从叶叶片的局部部开始，随随风速的上上升而逐步步向叶片全全长发展，，起到功率率调节作用用。定桨距风力力机的风功率捕捕获控制完完全依靠叶片的的气动性能能，优点是结结构简单、、造价低、、同时具有有较好的安安全系数。。缺点是难以对风功功率的捕获获进行精确确的控制。§3.4.3风力机的功功率调节方方式变桨距风力力机功率调调节通过调节桨距角角改变叶片攻角，以改变叶叶片的风能能捕获能力力。启动时，调节桨距距角，限制制风能捕获获以维持风风力机转速速恒定。低于额定风风速时，保持桨桨距角恒定定，通过调调速控制使使风力机运运行于最佳佳叶尖速，，维持风力力机组在最最佳风能捕捕获效率下下运行。高于额定风风速时，调节风风力机桨距距角，使风风轮叶片的的失速效应应加深，从从而限制风风能的捕获获。变桨距功率率调节可在高于额额定风速时时保持稳定定的功率输输出，并且机组组结构受力力相对较小小。但是需要桨桨距调节装装置，控制系统复复杂，价格格较高，风速跟踪踪有延时，，可能导致致风力机瞬间超载。同时，风风速的不断断变化会导导致变桨机机构频繁动动作，损坏坏后维修费费用昂贵。。§3.5风力发发电机机组§3.5.1风电机机组及及其构构成§3.5.2风力发发电机机常见的的风力力发电电机类类型（1）恒速速恒频频的鼠鼠笼式式感应应发电电机（2）变速速恒频频的双双馈感感应式式发电电机（3）变速速变频频的直直驱式式永磁磁同步步发电电机§3.5.3传动和和控制制机构构包括传传动结结构（（例如如齿轮轮箱））、对对风系系统（（偏航航系统统）、、限速速和制制动装装置。。详见教教材§3.5.4塔架和和机舱舱塔架的的高度度视地地面障障碍物物对风风速影影响的的情况况及风风轮直直径大大小而而定（详见见教材材）§3.6风电场场3.6.1风电场场的概概念在风力力资源源丰富富的地地区，，将数数十台台至数数千台台单机机容量量较大大的风风力发发电机机组集集中安安装在在特定定场地地，按按照地地形和和主风风向排排成阵阵列，，组成成发电电机群群，产产生数数量较较大的的电力力并送送入电电网，，这种种风力力发电电的场场所就就是风电场场。风电场场单机容容量小小、机组数数目多多。§3.6风电场场更多类类型的的风电电场照照片，，详见见教材材3.6节。§3.6风电场场3.6.2风力发发电的的特点点优点：：（1）没有有直接接污染染排放放；（2）不需需要水水参与与发电电过程程；（3）经济济性好好。对环境境的负负面影影响：：（1）风力力机的的噪声声；（2）风力力机的的电磁磁干扰扰；（3）视觉觉影响响；等等等。。§3.7风电的的发展展－世世界世界之之最：：（详见教教材）第一个个风力力发电电站；；第一台台螺旋旋桨式式大型型风力力发电电机；；第一台台兆瓦瓦级风风力发发电机机；现代风风力机机的雏雏形。。§3.7风电的的发展展－世世界20世纪70年代以以来，，随着着世界界性能能源危危机和和环境境污染染日趋趋严重重，在在风力力发电电技术术研究究和应应用上上投入入了相相当大大的人人力及及资金金，研研制出出了高高效、、可靠靠的风风力发发电机机，为为风电电的大大规模模发展展提供供了条条件。。1997-2007世界风风电总总装机机容量量（GW）的增增长趋趋势§3.7风电的的发展展－世世界世界上上已运运行的的最大风风电机机组单单机容容量已达到到5MW，而……MW风电机机组也也已研研制成成功。。世界风风能利利用排排名前前十的