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科氏力Coriolisforce离心力Centrifugalforce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风能密度E0：1s流过1m2面积的风所具有的动能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。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——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。风轮功率与风速的三次方成正比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。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，所以又称为迎风机构或调向机构。类型：

小型水平轴风力机常用的调向机构有尾舵和尾车；风电场中并网运行的中大型风力机则采用偏航电机、风向标等。控制系统主要功能①按预先设定的风速值(一般为3～4m/s)自动启动风力发电机组，并通过控制实现并网。②借助各种传感器自动检测风力发电机组的运行参数及状态，包括风速、风向、风力机风轮转速、发电机转速、发电机温升、发电机输出功率、功率因数、电压、电流等以及齿轮箱轴承的油温、液压系统的油压等。③各运行工况内的自动发电控制④当风速大于最大运行速度(一般设定为25m/s)时实现自动停机。故障保护。⑤与主控中心通信：如通过调制解调器与电话线连接。控制系统100kW以上的中型风力发电机组及1MW以上的大型风力发电机组皆配有由微机或可编程控制器(PLC)组成的控制系统来实现控制、自检和显示功能。控制系统主要部件主控器（核心控制模块软硬件）变桨控制器（变桨控制模块、变桨电机伺服及电机，蓄电池）变频器（双馈机型和同步机型）通讯模块（系统内部通讯、风场内通讯）SCADA软件（用于远程监控）控制系统调试内容静态检查（接线、参数整定）动态部件（变桨、主控逻辑、偏航等）联调（从切入到并并网）水平抽风力发电机组需要通过塔架将其置于空中。风速随着高度的增加而增大，因此较高的塔架可以使风轮机获得更多的风能。类型：即由钢板制成的锥形筒状塔架和由角钢制成的桁架式塔架。塔架风力机的性能要素叶片长度与扫风面积相关外形（翼型、外廓和制造质量）影响CP齿轮箱和发电机效率高低影响整机出力（即发电量）；可靠性影响整机可用率；控制系统变桨控制（硬件及策略）影响CP及整机载荷；影响机组的运行安全偏航系统准确与否影响整机出力10.风力机的功率控制风力机的设计思想是尽可能便宜的产生电能。风力机的设计是基于目标风场的风速条件，因此风力机一般被设计成在风速为8～15m/s时具有最佳的性能，即有最大的电能产出。而不是花费心思把风机设计在强风时有最多电能产出，因为强风天气不多见。因此在强风天气时必须浪费多余风能，以免破坏风机。所以风机设计有能量控制装置，安全控制方式有如下几种。变桨控制被动式速控制主动失速控制副翼控制偏离控制变桨控制风轮机通过监测风力发电机的电能输出，当风速大于额定风速后，通过变桨机构使桨叶绕其轴旋转，调节桨距角，使桨叶一次轻微地转过一个角度，改变迎风面积，实现能量控制。这种方式通常采用液压驱动装置进行调节。被动失速控制风轮机被动失速控制风轮机的桨叶被固定，桨距角不可变。通过适当设计风轮机的桨叶，根据空气动力学原理，当实际风速达到某一特点值时，开始出现失速。该方式避免使用复杂的控制系统调节桨叶，但同时出现了复杂的气体动力学设计难题。主动失速控制风机

越来越多的大型风机在发展主动失速控制装置。在低速时为了有足够大的力矩，采用和变桨控制同样的控制方式；当风速增大，发电机将要超负荷时，则与变桨控制方式相反，而是通过主动方式达到桨叶失速，它比被动失速方式更能精确控制能量输出，另一方面优点是它能在强风天气保持额定功率运行，而失速型通常因为失速而使电能输出降低。它同时也带来了投资成本和维护费用的提高。其他能量控制方法

一些老式的风轮机用叶片上的副翼控制转子输出的能量。一般飞机上都装有副翼，通过副翼的转动可以改变机翼的几何形状，从而在飞机起飞时提供更多的升力。多翼式风力机偏离控制技术——使风轮机偏离迎风方向，减小风能输入。只应用在小型机组上，因为偏离会使转子受周期性变化的力，最终会破坏整个风力发电结构。11.风力机是如何运行的？当风速达到启动风速时，风轮机开始运行，带动发电机发电。随着风速增加发电机的功率开始增加。达到设计风速时，风力发电机可以达到额定功率。当风速进一步增加时，风力发电机的能量控制开始工作，使发电机不会超负荷，而是在额定点附近工作。如果风速进一步增大超过了能量控制调节的范围，风力发电机就会实施停机保护。12.风力发电系统类型独立运行风力发电系统独立运行的风力发电机组，又称离网型风力发电机组。这种风力发电机组功率小，风速适应范围广，生产技术成熟，适合家庭和边远地区的小型用电负荷点。考虑到风能的不连续性，通常需要配置蓄电池，如需要交流电，则要加逆变器。并网运行风力发电系统作用：采用风力发电机与电网连接，由电网输送电能的方式，是克服风的随机性而带来的蓄能问题的最稳妥易行的运行方式，是风力发电规模化利用的主要方式。应用：10kW以上直至MW级的风力发电机组皆可采用这种方式。我国最大的单台容量为6MW海上风力机组近期刚下线。12.风力发电系统类型按风力机功率调节方式定桨距风力发电机组叶片桨角固定的风力发电机组称为定桨距风力发电机组。结构简单、容量从数十千瓦到兆瓦级、性能可靠，但效率较低。变桨距风力发电机组

叶片桨角在一定范围（一般0o～90o)内变化的风力发电机组称为变桨距风力发电机组。效率较高。兆瓦级及以上机组多采用此类机组。按发电机转速恒速恒频方式

风力发电机组的转速不随风速的波动而变化，始终维持恒转速运转，从而输出恒定额定频率的交流电。这种方式目前已普遍采用，具有简单可靠的优点，但是对风能的利用不充分。变速恒频方式风力发电机组的转速随风速的波动作变速运行，但仍输出恒定频率的交流电。这种方式可提高风能的利用率，但将导致必须增加实现恒频输出的电力电子设备。并网运行风力发电系统类型按驱动链形式分有齿轮箱传动方式（一般有多级齿轮箱)

需要高速发电机，如IG，DFIG，SG半直驱方式（一般有一级齿轮箱)

需要中速发电机直驱方式（无齿轮箱)

需要低速发电机，如多极PMSG并网运行风力发电系统类型变速运行的优点1.系统效率高。变转速运行可以最佳尖速比运行,提高了风力机的运行效率,与变桨恒速运行机组相比,年发电量可提高10%以上。2.能提高供电品质。阵风时风轮转速增加，把风能余量存储在风轮转动惯量中,风速下降时,再将风轮动能缓慢释放出来变为电能送给电网。可减少对电网的冲击。3.使桨角调节简单化。低于额定风速时,桨角固定；高风速时,调节桨角限制输出功率。4.环保效果好。低风速时,风轮处于低转速运行状态,使噪声降低。也不易引起视觉疲劳。并网发电风力机的总发电成本的影响因素投资成本成是影响风力发电成本的主要因素，投资成本包括制造加工费、基建费等系统寿命运行费和维修成本风系特性。风能潜力与风速的三次方成正比，平均风速高则电站经济性好系统的能量转换效率技术利用率，即正常发电时间在一年中占的比例13.风电场建设

建设风电场除了要考虑风速条件外，还要综合考虑场地状况、道路状况、接入电网的条件等因素。一个完整的风电场项目，一般包括以下几个步骤:风电场选址项目可行性评估项目准备风电场建设风电场运行和维护风电场退役、场地恢复多台甚至成百上千台风力发电机组组成的集中并网发电场简称为风电场

风电场选址风能资源

主要考虑年平均风速，风速频率，年发电量和容量系数。

容量系数：发电机组的年度电能净输出，与风电机组额定容量与全年运行8760h的乘积比值称为风电机组的容量系数。风电场场地状况

场地应该开阔，地质条件好，便于大规模开发。交通运输方便并网条件好

距离电网越近，并网投资越少，线损和压降也越小。不利气象条件和环境的影响

这些不利因素可能影响发电机组的寿命。土地征用和环境影响一般需要考虑以下一些因素：

风力发电机组的选型

单机容量越大，风能利用越高，但是，单机容量增大的同时价格也随着增加，大容量的机组技术投入多而产量较小，成本偏高，所以总体来看，风力发电机组的单机容量价格随着单机容量的变化呈U字形曲线，国内目前性价比较高的仍然是兆瓦级以下的机组。但单机大容量仍然是发展趋势。首先根据风能玫瑰图确定主导风向，风力发电机组排列应与主导风向垂直。对于开阔、平坦的场地，上游风力发电机组会对下游风力发电机组产生干扰，风力发电机组可以布置成有利于加大风速的地形，采用单排布置或者多排差排布置方式。风力发电机组的布置风电场中的风力发电机组在工作期间可能处于如下状态之一：风力发电机组的运行和安全性每种工作状态都可看作是风力发电机组的一个活动层次，运行状态处在最高层次，紧急故障状态处在最低层次。正常工作状态暂停状态停机状态紧急停机状态运行控制系统是风力发电机组的常规控制系统，此外，还有一套独立于运行控制系统的安全系统。安全系统的任务是在出现严重问题或检测到潜在严重问题时保护风力发电机组，使之处于安全状态。保护动作通常是紧急刹车，使风轮机停止工作。安全系统必须独立于控制系统，而且具有高度的可靠性和自动故障免除性。为了保证安全，必须配备两套以上的刹车系统，而且各自的工作方式和动力源必须不同。14.风力发电的发展风力发电机容量和风轮直径发展风轮直径和发电机单机容量越来越大向海上风电场发展世界上第一个海上风电场位于丹麦南部的洛兰岛以北海域，1991年修建海上风电的优势海上风能资源比陆地大，不但风速高，而且海上很少有静风期，能更有效利用风电机组的发电容量；海上表面粗糙度低，海平面摩擦力小，风随高度变化小，不需要很高的塔架，可降低风电机组成本；海面与其上面的空气温差小，海上风的湍流强度低，作用在风电机组的疲劳载荷小，可延长使用寿命。一般陆上风电机组设计寿命20年，可在海上运行25年。海上面积辽阔，项目规模可以大，风电场距离海岸较远，不影响景观；海上风电的缺点要承受的风载荷大，还要承受海浪带来的负荷，抵抗海洋环境的盐雾腐蚀运输和吊装条件受限，需要自备吊装主要部件的起重设备，避免因维修而等待大型浮吊造成的损失；海上风电机组基础成本高与建筑结合2007年巴林首都世贸中心15.风力发电的优点以及负面影响

风力发电的优点风能是可再生能源形式，有利于可持续发展。有利于环境保护。随着风电技术的日趋成熟，风电成本越来越低，可以和其他能源形式相竞争。

风力发电的负面影响间接的不可再生能源利用和污染物排放。机组生产过程中造成的污染物的排放是风电的间接污染物排放。风电可能对鸟类造成伤害噪声问题对无线电通信的干扰安全问题，叶片折断伤人等16.风电对电网运行的影响风速和风向总是随机变化，因此风能的特点是具有不稳定性，使得风电场的输出功率有波动性，从而影响局部的电能质量。风电容量到达一定程度后，会引起电压不稳，特别电网较大波动的时候，可能导致风力发电机组从电网解链，严重时甚至导致电网瓦解。风力发