环境保护与新能源第6次课-风能讲述

风能及其利用主要内容3.1风能基本知识3.2风能资源与风能利用概况3.3风力机的结构和工作原理3.4风力发电运行方式3.5风力发电现状与展望3.1风能基本知识一、风的形成地球上风的运动风是地球外表大气层由于太阳的热辐射而引起的空气流动；大气压差是风产生的根本原因。二、风的能量1、产生能量的基本要素：风具有一定的质量和速度。2、风能的一些主要特性参数：

(1)风能：空气运动产生的动能称为“风能”。

(2)风能密度：单位时间内通过单位截面积的风能。

(3)风速与风级：风速就是空气在单位时间内移动的距离，国际上的单位是米／秒或千米／小时。分13级.

(4)风向与风频：通常把风吹来的地平方向定为风的方向，即风向。风频是指风向的频率，即在一定时间内某风向出现的次数占各风向出现总次数的百分比.

(5)风的测量：风的测量仪器主要有风向器、杯形风速器和三杯轻便风向风速表等。一个给定地点一段时间内各种方向出现的频率。风向玫瑰图风级、风速与浪高对照表1、大城市2、城市及多树农村3、平原、沿海典型分布山谷风海陆风3.2、风能资源与风能利用概况（一）世界风力资源分布全球大气中总的风能量约为1014MW，其中蕴藏的可被开发利用的风能约有3.5×109MW，这比世界上可利用的水能大10倍。世界风能资源评估一、风能资源的分布（二）我国风力资源分布全国风能储量约4.83×109MW

，可开发利用的风能资源总量达2.53亿kw。主要分布在新疆、内蒙古等北部地区和东部至南部沿海地带及岛屿。二、风能资源的特点优点：可再生偏远山区、海滨、居民分散的无电或少电地区，风能资源丰富清洁，不破坏环境，不影响生态平衡较易转化为机械能缺点：不稳定，需储能设备风能密度比较低受地形物形影响大三、风能的利用风能利用的内因与外因风能利用已有几千年的历史由于它的缺点使得它不能规模化利用现在技术问题解决，使得风力发电逐步发展起来经济危机、能源安全等问题给了风能等可再生能源发展的机会，现在风力发电技术是可再生能源中最完善的，风电在欧洲所占比例逐步上升。亚洲国家最重视风能的是印度和中国。可再生能源的近期发展方向是以风力为主我国新疆达坂、内蒙风力发电技术是最先进的，有国家重点项目风力丰富＋对土地的占用少＋不受昼夜影响＋存在广泛＋政府重视＋解决就业，使风能发展越来越快什么样的风能可以利用？年平均风速6m/s：风能资源丰富区。建设大型风电场，并网发电年平均风速>4.5m/s：风能资源丰富区年平均风速在4～4.5m/s：基本相当于风能资源丰富区年平均风速在3～4m/s：利用价值较高，有前景一般风速为3m/s以上：能发电，我国这样的地区分布广泛年平均风速<2m/s：目前还没有什么利用价值。

除了破坏性极大的风（如台风、龙卷风）绝大多数风速在2米/秒以上的风能都是可以利用的。

5000年前埃及古画上的帆船古代波斯和中国的垂直轴风车荷兰水平轴风车中世纪的欧洲风车磨坊美国农场风车草原上的风电场1、风力发电发展简史起源：世界上第1台用于发电的风力机于1891年在丹麦建成。发展：风电技术经过20年的开发日臻成熟，商业化机组的单机容量从55kW增加到1650kW，风电成本从20美分/（kW·h），持续下降到5美分/（kW·h）运行可靠性和发电成本接近常规火电，迅速发展成为初具规模的新兴产业。目前风力机之最为美国CE公司的“超级风力机”，单机功率为7.3MW，风车直径为112m。2、世界风电现状世界风电总装机容量1994年底为350万kW，1995年底为490万kw，1996年底为607万kW，1997年为764万kw，1998年达1015万kW，1999年达1393万kw，2001年达1845万kw，2001年达2493万kw．2002年达到了112.7kW，平均年增长率在30％以上。到2001年底，全世界风电场总装机容量达到24930Mw。其中：德国8730Mw，居世界第1位；美国4250Mw，居世界第2位；西班牙3550Mw，居世界第3位；丹麦2460Mw，居世界第4位。在此期间，发展中国家以印度的风电场建设发展最快，到2001年底达到1460Mw，居世界第5位。世界能源委员会预计，全世界到2020年风力发电装机容量可达18亿—47亿kw。3、世界风电发展预测世界风电在加速发展，装机容量每年以近30％的速度递增。按照德国风电发展计划，2010年，风电电量占总发电量的12.5％；到2050年，将占到50％。丹麦的风电电量2003年占全国总发电量的18％，规划到2030年，风电将占总发电量的50％。西班牙、英国和法国也加快了风电的发展。4、我国风电现状从中国电机工程学会获悉，到今年上半年我国有40多个风电场，装机容量约为76.4万千瓦，风电装机容量仅占全国装机容量的0.17%。2004年全国在建项目的装机容量约150万千瓦，其中正在施工的约42万千瓦，可研批复的68万千瓦，项目建议书批复的45万千瓦，包括五个10万千瓦特许权项目。如果这些项目抓紧实施，2005年底累计装机超过了100万千瓦。5、我国风电造价从统计数据看，全国风电上网电价比常规水电和火电厂高出许多，新疆常规火电上网平均电价在0.25元/千瓦时左右，而风电则平均达到0.6元/千瓦时以上。而风电利用小时数约在2000至3000小时左右，仅为火电的一半。另外，虽然风电单位千瓦平均造价已从10000元降到8000元左右，但仍远高于火电的4000元/千瓦造价，建设一座装机10万千瓦的风电场，约需8亿元以上，而建设同样规模的火电厂约为4至5亿元。

一、风力机的分类：1、按风轮轴与地面的相对位置，可分为水平轴式和垂直轴式。2、按风轮相对于塔架的位置，分为上风式和下风式；3、按叶片数量，分为单叶片、双叶片、三叶片、四叶片和多叶片式。4、从叶片型式上分，有螺旋桨式、H型、S型等；5、按叶片的工作原理分，则有升力型和阻力型的区别。6、以风力机的容量分，则有微型(1kW以下)、小型(1—10kW)、中型(10—100kW)和大型(100kw以上)机。3.3、风力机的结构和工作原理风力机——将风能转换为机械能二、风力机的主要技术指标参数风轮直径：通常风力机的功率越大，直径越大；叶片数目：高速发电用风力机为2—4片，低速风力机大于4片；叶片材料：现代常采用高强度低密度的复合材料；风能利用系数：一般为0.15—0.5之间；启动风速：一般为3—5m/s;停机风速：通常为15—35m/s;输出功率：现代风力机一般为几百千瓦—几兆瓦；另外还有塔架高度等等。1、水平轴力风机特点：风力机的风轮轴与地面呈水平状态组成：一般由风轮增速器、调速器、调向装置、塔架等部件组成，大中型风力机还有自动控制系统。应用：这种风力机的功率从几十千瓦到数兆瓦，是日前最具有实际开发价值的风力机：类型：传统风车、低速风力机及高速风力机等3大类型。水平轴力风机图2、垂直轴风力机特点：风轮转轴与地面呈垂直状态。形式：s型、H型、Ф型等。应用：虽然目前垂直轴风力机尚未大量商品化，但是它有许多特点，如不需大型塔架、发电机可安装在地面上、维修方便及叶片制造简便等，研究日趋增多，各种形式不断出现各种形式的垂直轴风力机。H型风力机图Ф型风力机图(二)风力机的组成及各部件的功用小型风力发电机图1、风轮；2、传动装置；3、塔架；4、尾舵；5、调速机构；6、发电机；7、蓄电池中大风力发电机组基本结构1、轮毂（安装叶片）；2、传动系统；3、齿轮箱；4、刹车系统；5、发电机；6、塔架；7、风速风向仪低杨程风力提水机图1、风轮；2、传动装置；3、尾舵；4、船头座机回转体；5、塔架；6、螺旋水泵；7、低水源；8、出水池；9、停车机构1、叶片；2、叶柄；3、轮毂；4、风轮轴1、平板型；2、弧板型；3、流线型流线型叶片的结构与材料位于加州AltamontPass之φ型转子(a)荷兰四叶片式风车：荷兰过去世纪中数以千计大幅运用，今日仅有少数地方看见。效率低(7%)且输出功率小，约仅10马力(hp)常见的三种风车的型式(b)美国多叶片型风车：可靠度高，且在小风力情况下仍能操作，20世纪时大量用于汲水灌溉(c)双叶片型风力机：今日大量使用的原型机。

1、叶片2、风轮4、刹车5、低速轴6、齿轮箱7、发电机8、控制器9、风速计10、尾舵11、机舱12、高速轴13、14调向15、塔架风力发电特点及优势:1、安全可靠，成本日渐降低；2、不消耗资源、不污染环境；3、建设周期一般很短；4、装机规模灵活；5、运行简单；6、实际占地少；7、对土地要求低；8、在发电方式上还有多样化的特点。3.4风力发电运行方式一、独立运行方式（离网）风力发电机组输出的电能经蓄电池蓄能，再供应用户使用，如需要交流电，则要加逆变器。切换同时1、概念

在风能资源良好的地区，将几十台、几百台或几千台单机容量从数十kw、数百kw直至Mw级以上的风力发电机组按一定的阵列布局方式成群安装而组成的风力发电机群体，称为风力发电场，简称风电场。风力发电场属于大规模利用风能的方式，其发出的电能全部经变电设备送往大电网。（二）风电场南澳风场一景

海上风电站约60米高的风机在地上投下巨大的倒影坎上的满井风场，以风光闻名风力发电机的一扇叶片发电机的风扇叶被人们组装在一起吊车正在组装发电机机身发电机叶片即将装在高大的机身上工人们陆续安装好其它海上风力发电机装机规模世界第一；风电发展十分普及；德国政府计划，到2010年要使新能源占总装机容量的10％，2050年时达到50％。(1)德国-世界风电领头羊风力发电现状与展望(2)美国-风电产业大步前进中1997年前一直是雄居世界第一的风电大国，到2001年底，美国风电总装机为4250MW，居世界第2位。近两年美国又开始重视风力发电的发展，加大支持力度，将旧机更新换代，并制定了雄心勃勃的技术研究发展计划，最终日标是要将风电电价降到2.5美分/wh。目前联邦政府规定，可再生能源每发1kwh电可减1.5美分的税。1998年6月，议会提出“可再生能源有价证券法规”(RP5)，规定新能源必须在电力发电来源中占有一定比例，使得风力发电在总发电量中所占比重有可能从1998年的2％提高到2010年的5.5％。(3)丹麦-世界风机生产基地世界上最大的风力发电机组生产国，产量占世界60％以上，在其出口产业中占第二位；1999年丹麦风电总装机达1740MW，其发电量巳占全国总量的10％；2030年将达5500MW，发电量将占全国近50％，其中海上风电场装机将达4000MW。丹麦政府计划，未来新能源(主要是风电和生物质能)将提供75％以上的能源供应，燃煤发电将逐渐淘汰。南澳地处台湾海峡西南端喇叭口，风力资源丰富，风电场年平均风速达8.54米/秒，年有效风速时数超过7000小时，有效风能密度达1011瓦/平方米，风况属世界最佳之列，是我国少有的可以大规模开发风力发电场的地域之一。已安装风力机132台,总装机容量达570MW,年发电量达1.4亿千瓦时,成为亚洲海岛最大的风力发电场;目前，总装机容量达75.5MW的两个大型风电项目正在建设中，投资22亿多元的3个海上风电场项目已投入前期工作。1、广东省南澳风电场南澳风电场图2、达坂城风力发电一场

达坂城风力发电一场位于兰新铁路及乌喀公路一侧，达坂城谷地，年平均风速8.1m/s。新疆水利厅1986年成立新疆风能公司、新疆风能研究所、新疆新风科工贸有限责任公司“三位一体”的高科技实体。1989年建成了当时亚洲最大的大型风力发电场，并成功地高质量运行管理至今，新疆金风科贸公司现装机42台，总容量18.4MW。大阪城风电场图3、辉腾锡勒风电场

辉腾锡勒风电场是1995年成立的风电企业。场址位于内蒙中旗，海拔2010～2131m，风速7.4～8.2m/s。规划容量1200MW，年发电量33亿千瓦时。现装机72台，总容量42.7MW。股东：龙源电力集团公司(50%)辉腾锡勒风电