新能源工程 风能

第九章风能9.1风能基本知识风是由太阳的热辐射在地球上引起的“空气流动”。太阳照射地面，温度升高，气压变化，高压冷空气流向低压区，空气流动形成了风。气压差值越大，风也就越大。赤道附近接收太阳能多，南、北极接收太阳能较少．如果地球表面情况一样，且忽略地球转动作用，则赤道附近空气受热膨胀向上、流向两极；而两极的冷空气，沿地表硫向赤道。实际上，地球转动也产生影响，在同样日照情况下，海面升温慢，陆地升温快；山谷升温慢，山脊升温快，很多复杂因素造成不同地区、不同季节里，空气的流动是变化多样的，因而风向、风速也是变化无常的。9.1.1风的形成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，称作风向频率。风向风向频率=风向出现的总次数某风向出现的次数把一昼夜中每小时测得的风速相加，再除以24，为日平均风速日平均风速100%9.1.2基本概念风速频率相同风速出现的时数测量总时数风速频率=100%一定时间内，相同风速出现的时数占测量总时数的百分比称作风速频率在求得平均风速的限定时间内，最大风速与最小风速之差，称为风速变幅对风能利用来说，既希望平均风速较高，又希望风速变幅小。以保证风力机平稳运行，便于控制。风速变幅3~20m/s的风速称为有效风速。据此计算出来的风速频率和风能，分别称为有效风频和有效风能。起动风速可使风力机起动运行的风速称为起动风速。国内常取3m／s为起动风速切除风速有效风速限制风力机超速运行的上限风速为切除风速。大于这个风速时，风力机必须停转，否则有因超速旋转而损坏的危险。国内常取20m／s为切除风速垂直高度风速分布由于风与地面摩擦的结果，风速随着垂直高度的增加而增大，在离地面l00m的高度范围内，垂直高度H处的风速，可按下式求得υ——高度H处的风速；υ。——高度Ho处的风速(气象站风速测定点高度一般为10m，所以Ho一般为10m）；n——地表面摩擦系数，其数值常在0.1-0.4之间，n的典型数值可 查表得到或通过实验得到υ=υ0（H/H0）nt＝8760×(π/2)·(υ/υp2)e-k瑞利分布公式当某—地点的年平均风速已经知道，可用瑞利分布公式求得在一年内任意风速下的小时数。瑞利分布公式为式中：t——一年内某一风速下的小时数；υ——某一风速；υp——该处年平均风速；k=(π/4)·(υ/υp)2

说明：当年平均风速低于4.5m／s时，计算结果所得误差较大：年平均风速低于3.5m／s时此公式不适用单位时间垂直穿过截面A的空气所具有的动能（单位：W），为风所具有的功率，以N表示评价风能资源的重要参数单位时间垂直通过1m2面积的空气所具有的动能称为风能密度，以E0表示。单位为W／m2N=0.5×Aρυ3E0=0.5×ρυ3风能密度(1)风能与空气的密度成正比；(2)风能与通过的面积成正比；(3)风能与风速的立方成正比。[W／m2][W]ρ——为当地空气密度计算某地一年内风能的大小，不能简单地用年平均风速，还要考虑风速的分布情况。年平均风速相同，而风速频率不一样时，计算出来的风能量常常相差很大。年有效风能用下式计算有效风能W=0.6125×10-3×∑(t·υ3)320式中：W—年有效风能(kW·h／m2)0.6125——1/2空气密度(kg／m3)υ——3.0~20m／s之间的某一风速t——风速υ在一年内出现的小时数有效风能密度我国东南沿海及一些岛屿的风能资源较好；内陆沿东北、内蒙古、甘肃至新疆一带，风能资源也比较丰富，年平均风能密度在100一200W／m2，全年有效风速累计小时达3000—6000h。9.1.3我国风能资源年有效风能除以年有效风速的持续小时数，为有效风能密度有效风能密度EW=0.6125×10-3203

∑t320∑(t·υ3)(1)风能是可再生能源，取之不尽，用之不竭(2)在偏远山区、海滨、居民分散的无电或少电地区值得开发利用(3)开发利用风能，无环境污染与生态平衡问题(4)把风能转换成机械能，工艺简单，容易实现9.2风能资源的特点风能资源的优点(1)风能随季节、昼夜变化，当小风或无风时还想利用它，则需要贮能系统(2)风能密度比较低，要获得较大的功率，需要把风机风轮作得很大。(3)风能受地形地物的影响较大，即使在同区域，有利地形处的风力往往是不利地形处的几倍乃至更多。风能资源的缺点

目前，美国以及丹麦、荷兰、瑞典、法国、德国、英国等西欧国家在风能开发利用方面居世界领先地位。他们的风力机的发展都经历了从小到大，由单机运行到并网发电，以及大规模风力田(也称电风场、风车田)的建设的过程。9.2风能发展利用现状

风力田施工周期短，投资相对易回收。发展很快。2009年全球风能装机容量已经超过1亿千瓦。世界上最大的风力企业在美国加利福尼亚州的萨克拉门托河三角洲，该处风力发电装机容量超过20万kw、年发电超过4x108kW·h。根据BTMConsult公司预测，到2020年，全球风能装机容量将达10亿千瓦，将占全球电力供应的7%到8%。大规模风力田(也称电风场、风车田)的建设优势我国内蒙古的风力田河北承德木兰围场的风力田

国外主要以中型风力机所组成的风力田向电网供电；而电网不能达到的分散农户、通讯站、灯塔导航等则使用小型风力机供电。风力田并网发电与特定用户的小型风机的互补美国、荷兰、丹麦等一些国家的中、小型风力发电机已商品化。十分重视大型风力机的研制。大型风力发电机的风轮叶片长度已超过100m，单机功率已达到4000kW。风力机使用寿命可达30年，运行可靠性好，自动化操纵管理水平高。商品化2008年4月完工的巴林世贸中心在50层、高240米的办公塔楼之间安装了3台发电风车，成为世界上首座为自身持续提供可再生能源的摩天大楼。这3台发电风车每年约能提供1200兆瓦时(120万度)的电力。

。丹麦出口到世界各地的风力涡轮机已有5万台，接近全球总数的50%。丹麦24%的能源来自风能。2020年风能的比例将增加到50%。在哥本哈根港口，距离海岸线3公里，20个巨大风力涡轮机。虽然建造在城市的门户，极其显眼，但却得到大多数民众的认可。9.3风能利用方式1．风轮与发电机的匹配：9.3.1．风力发电其中同步发电机应用得更多些。国内还没有风力发电专用的发电机系列产品，设计者是从现有的发电机中选用。选用时必须考虑风轮与发电机之间的功率匹配、转速匹配等问题。常用电机水磁发电机同步励磁发电机变速变频发电机异步发电机风力发电为国内外的主要应用方式风能→机械能→其他能（发电、提水、制热等）2．风能供电组供电方式独立供电（国内方式）并网运行直流供电交流供电(1)直流供电

直流供电是小型风力发电机组供电的主要方式。先将风力发电机的交流电整流成直流，蓄电池作为贮能设备，可使电能的稳压问题得到解决。小型风力发电机组的直流供电，主要用作照明、电视机、收音机等生活用电的电源。(2)交流供电

风能不均匀，若发出的交流电直接供给用户，存在着稳频、稳压和贮能等技术难题。目前的交流供电方式主要有：风能的不均匀性使发电机组的电压控制、频率控制和贮能成为较大的技术难题。特别是贮能问题，随着机组容量的增大，显得更加突出。风力发电机组与电力系统并列运行，能较好地解决这些问题。①交流直接供电：多用于对电能质量无特殊要求的情况，例如加热水、海水谈化等。②通过“交一直一交”逆变器供电：先将风力发电机发出的交流电整流，再把直流电变换成电压和频率都很稳定的交流电输出。9.3.2．风力提水风力提水在世界各地，特别是在发展中国家得到广泛的应用。风力提水的优势风力提水机结构可靠、制造容易、成本较低、维护操作简单。贮能问题容易解决，可提水蓄水简单实现储能利用。多数风力提水机在风速为3m／S时就可以起动。经济效益比较显著。利用风力提水制盐、养虾等，不仅节省常规能源，没有污染，而且经济效益较好。应用范围较广。可以用作农田与草场等灌溉，提供人、畜用水或水产养殖，提取海水制盐等。风力提水设备主要由提水风机和配套水泵或水车（p294）构成内蒙生产的风力提水设备山东日照风力提水老式提水机美、英、日等的风力制热技术已经进入实用水平，主要用于浴池供热水，住宅取暖、温室供热、水产养殖池水保温、野外作业防冻等。在我国的许多地区，在较寒冷的季节风能正旺，可把寒风转换成热能，供给住户、禽畜舍、蔬菜棚等。9.3.3．风力制热

前两种转换方式，由于转换次数多，导致总转换效率的下降，相形之下，第3种转换方式更为合理。风热转换途径①风能→机械能→电能→热能②风能→机械能→空气压缩能→热能③风能→机械能→热能。系统总效率高。风力提水系统的总效率一般为10％~20％：而风能一机械能一热能转换系统的总效率可达30％。风轮的工作特性与致热装置的工作特性比较接近，易实现合理匹配。风热转换系统对风况质量要求不高，对风速的变化适应性强。第3种转换方式更为合理，具有以下优越性：风热转换的形式风热转换的主要方式液体挤压致热固体摩擦致热涡电流致热搅拌液体致热(1)固体摩擦致热

风机动力输出轴驱动一组摩擦元件，旋转时在固体表面摩擦生热加热液体。其主要缺点是元件磨损较快，需要定期维护与更换。(2)搅拌液体致热动力输出轴带动搅拌器的转子旋转，转子与定子均有叶片。当转子叶片搅拌液体产生涡流运动并冲击定子叶片时，液体的动能转换成热能。这种方式的优点是风力机输出轴直接带动搅拌器，任何转速下搅拌器都能全部利用输入的机械能。风轮与搅拌器的工作特性能合理匹配。致热器结构简单、容易制造、可靠性好。对结构材料和工作液体无特殊要求。搅拌器是风力机的“天然”制动器。风力机系统不必另设超速保护装置。(3)液体挤压致热

利用液压泵和阻尼孔相配合产生热量风机动力带动液压泵，加压液体工质(如油)，机械能转换成压力能，高压液体从喷孔高速喷出，压力能瞬间转换为动能。当高速液体冲击低速液体时，液体的动能通过液体分子之间的冲击和摩擦转换为热能，流速下降，温度升高。优点：这种致热方式不像固体摩擦致热那样引起部件摩损，也不像搅拌液体致热那样产生“空穴”而引起对构件的侵蚀。可靠性好，寿命长。(4）涡电流致热风机动力带动转子，在转子外缘上装有线圈，来自电池的电流磁化线圈产生磁力线，转子旋转时定子切割磁力线，产生涡电流发热。定子外围是环形冷却液套，液体流过将热量带走。此装置热转换能力强，体积小。按风轮轴方向，分为水平袖与垂直轴式按叶片工作原理，分为升力型、阻力型按叶片材料，分为木质、金属和复合材料。按叶片形状，可分为平板型、弧板型、流线型。按容量大小，分为微型(1kW以下)、小型(1~10kW)、中型(10~100kw)、大型(100~1000kw)和巨型(1000kw以上)。国外一般只分三类即小型（100kW以下)、中型(100~1000kw)和大型(1000kw以上)。按用途分为风力发电、风力提水、风力铡草、风力饲料粉碎机等按风轮叶片尖端线速度与对应风速之比，分为高速风力机(比值大于3)和低速风力机(比值小于3)；也有比值在2~5之间者，称为中速风力机。9.4风力机的结构和工作原理9.4.1风力机分类风力机的结构形式繁多，分类方法多种多样

按叶片数量，分为单叶片、双叶片、三叶片、四叶片和多叶片式按风轮与塔架相对位置，分为:（a)上风向（前置式）

(b)下风向（后置式）风力机一般由风轮、传动装置、作功装置、蓄能装置、控制系统、塔架、附属部件等组成9.4.2风力机的组成及各部件的功用1、风轮2、传动装置3、塔架4、尾舵5、限速机构6、发电机7、蓄电池小型风力发电机的基本组成1234567风轮是风力机最重要的部件，它是风力机区别于其它动力机的主要标志。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。以水平轴风机为例，介绍常见风机的基本组成和功用1．风轮风轮组成轮毂叶片叶柄风轮袖叶片基本类型：平板型、弧板型、流线型。流线型＞弧扳型＞平板型相同条件下的风能吸收：风力提水机的风轮与风力发电机的风轮的主要不同之处：前者叶片数多，风轮转速低，产生的扭力矩大。由于风力提