风能的利用技术

风能利用技术明廷臻11/3/20241“Windpoweristhefastestgrowingsourceofenergyintheworldtoday.Growthrateshaveexceeded30%peryearoverthepastdecade”.11/3/20242一、概述太阳光从上而下照射大气层，使之升温。又由于地球的自转和公转，地面附近各处受热不均，大气温差发生变化，引起空气流动。空气在水平方向上的流动就形成了风。由于风有一定的质量和速度，并且有一定温度，因此它具有能量。太阳辐射到地球的光能大约有2％转变为风能。尽管如此，风能的数量依然很大。它相当于全球目前每年耗煤能量的1000倍以上。11/3/20243Formationofwindsbylocalheatingandcooling11/3/2024411/3/2024511/3/20246太阳辐射到地球之能量中的2%变成风力，其中之0.1%可供为风力发电之用，因此只要充分利用风力之2%左右即足够人类中所需。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，且能够供应全国发电，可减少石油燃料的浪费。11/3/20247风能的用途提水风力发电风帆助航利用风能加热11/3/20248人类利用风能的历史可以追溯到公元前。我国是世界上最早利用风能的国家之一。11/3/2024911/3/202410Datesbackto600AD11/3/202411UsedintheUSforpumpingwater11/3/2024121stwindmilltogenerateelectricitywasbuiltin1888.CharlesF.Brush(1849-1929)11/3/202413WindfarmsbecamepopularinCaliforniainthe1980s.11/3/202414二、风力发电原理1.TheWindRose风玫瑰图在极坐标底图上点绘出的某一地区在某一时段内各风向出现的频率或各风向的平均风速的统计图。前者为“风向玫瑰图”，后者为“风速玫瑰图”。因图形似玫瑰花朵，故名。11/3/202415风速的粗算风速随高度的变化：v为距地面高为h处的风速，v1高度为h1的风速。n为经验指数，取决于大气稳定度和地面粗糙度，常为0.125~0.5。11/3/202416不同地表面粗糙度的n值（地面100以下区域）地面类型n地面类型n光滑地面、硬地面、海洋0.1城市平地、较高草地、树木极少0.16草地0.14高的农作物、篱笆、树木少0.20树木多、建筑物极少0.22~0.24城市有高层建筑0.40森林、村庄0.28~0.3011/3/202417蒲福风级11/3/2024182.风能：空气密度和转子面积

风力透平获得能量，将风力转换成风力透平叶片的转矩，风能转换成转矩的数量依赖于空气密度和风速。空气密度越大，风速越大，可转换的风能越大。转子扫过的面积越大，接受风能越大。11/3/202419气流动能气流速度为v，垂直流过截面积为A的假想面，在t时间内流过该截面气流的体积和质量在t时间内，流过该截面的风能及其风功率：风力透平输出功率：11/3/20242011/3/202421

Windpower11/3/202422三、windturbine风力发电机主要结构包括叶片、发电机、增速装置、控制系统、塔架、机舱...等。风车的斜面叶片受到风的阻力，产生一股反抗的力量，力量作用而造成风车的转动就是作用力与反作用力的原理。11/3/2024231.WindEnergySystemComponentsTower塔Rotor转子WindTurbine风力透平11/3/202424TowerSmallWindTowers:Height: 10-30mMedium-sizeTowers:Height: 25-50mLarge-sizeTowers:Height: 50-110m11/3/202425RotorMaterial:CompositeWoodFiberglassBladeConcepts:TheDanishThree-BladedConcept

Two-Bladed(Teetering)ConceptOne-BladedConcept11/3/202426水平轴垂直轴11/3/202427WindTurbineSmallTurbinesPower:50–60kWMedium-sizeTurbinesPower: 50–1500kWLarge-sizeTurbinesPower:2–3MW11/3/202428Thenacelle（吊篮）containsthekeycomponentsofthewindturbine。Therotorblades

capturethewindandtransferitspowertotherotorhub（轮毂）.11/3/202429Thelowspeedshaftofthewindturbineconnectstherotorhubtothegearbox.变速箱Onamodern1000kWwindturbinetherotorrotatesrelativelyslowly,about19to30revolutionsperminute(RPM).Theshaftcontainspipesforthehydraulicssystemtoenabletheaerodynamicbrakestooperate.Thehuboftherotorisattachedtothelowspeedshaftofthewindturbine.11/3/202430Thehighspeedshaftrotateswithapproximately.1,500revolutionsperminute(RPM)anddrivestheelectricalgenerator.Thegearboxhasthelowspeedshafttotheleft.Itmakesthehighspeedshafttotherightturnapproximately50timesfasterthanthelowspeedshaft.11/3/202431electricalgenerator.Onamodernwindturbinethemaximumelectricpowerisusuallybetween600and3000kilowatts(kW).11/3/202432风向会经常改变，为了有效地利用风能，必须要有自动迎风的装置，它根据风向感测仪测得的风向信号，由控制器控制偏移电机，驱动小齿轮再推动塔架上的大齿轮，使整个机舱藉此自动控制的系统，能够一直对向迎风面。11/3/202433Theanemometerandthewindwaneareusedtomeasurethespeedandthedirectionofthewind.11/3/202434Theelectroniccontrollercontainsacomputerwhichcontinuouslymonitorstheconditionofthewindturbineandcontrolstheyawmechanism（偏移装置）.Thehydraulicssystemisusedtoresettheaerodynamicbrakesofthewindturbine.11/3/202435Thecoolingunitcontainsanelectricfanwhichisusedtocooltheelectricalgenerator.Inaddition,itcontainsanoilcoolingunitwhichisusedtocooltheoilinthegearbox.Someturbineshavewater-cooledgenerators.11/3/2024362).WindTurbineTowersThetowerofthewindturbinecarriesthenacelleandtherotor.Towersforlargewindturbinesmaybeeithertubularsteeltowers,latticetowers,orconcretetowers.Guyedtubulartowersareonlyusedforsmallwindturbines(batterychargersetc.)11/3/202437TubularSteelTowers

Lattice

Towers

Hybrid

Towers

GuyedPole

Towers

11/3/2024383).SizeofWindTurbines11/3/202439四、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、致冷和致热等。11/3/202440风能利用-风力发电风力发电并非一个占地宽敞的工厂，也不需要高压电塔、变电所来进行输配电。以一台1000千瓦的风力发电机为例，塔筒高约60m，叶片直径达50~60m，底座地上面积为16m2，基座附有小型变电器，由地下电缆将低伏电直接连接上附近电网。11/3/202441现代风力机每台设计寿命为二十年，每半年维护一次，其设计为遥控自动，无人看守，可连接到工程师的手机，一有问题可利用装有遥控系统的手提电脑马上解决。11/3/202442风力发电制造过程图1地下电缆将低伏电直接连接上附近电网11/3/202443风力发电制造过程图2底座11/3/202444风力发电制造过程图3衔接塔柱11/3/202445TurbinePartsTransportationByLandTransportationBySeaTransportationByAirTransportation(AirCargo)11/3/20244611/3/202447风力发电制造过程图4发电机与变速箱11/3/202448风力发电制造过程图5叶片11/3/20244911/3/202450风力发电制造过程图611/3/202451风能利用-风力提水风力提水自古至今一直得到较普遍的应用。至20世纪下半时，为解决农村、牧场的生活、灌溉和牲畜用水以及为了节约能源，风力提水机有了很大的发展。现代风力提水机根据用途可以分为两类。一类是高扬程小流量的风力提水机，它与活塞泵相配，提取深井地下水，主要用于草原、牧区，为人畜提供饮水。11/3/202452活塞式风力提水机是利用风能作动力，经过曲轴或变速箱，直接带动活塞等方式，将地下井水或河塘水提出。主要用于风况较好的地区的农田，苗圃，绿地等水利灌溉，水产养殖，人畜饮水。特别适合北方地区冬季鱼塘活水，可增加鱼塘温度和氧气，提前解冻冰面，提高养殖生存率；夏季加强鱼塘活水循环，提高养殖密度，缩短养殖周期。

11/3/202453产品特点：结构简单、安装方便、安全可靠、少有故障。自动调速，2-3级风即可启动工作；小风提水，大风自动避风。无需看守，使用寿命长，可达10年以上。11/3/20245411/3/202455另一类是低扬程大流量的风力提水机，它与螺旋泵相配，提取河水。湖水或海水，主要用于农田灌溉、水产养殖或制盐。风力提水机在我国用途广阔，如“黄淮河平原的盐碱改造工程”就可大规模采用风力提水机来改良土壤。11/3/202456风能利用-风力致热随着人民生活水平的提高，家庭用能中热能的需要越来越大，特别是在高纬度的欧洲、北美取暖，煮水是耗能大户。为解决家庭及低品位工业热能的需要，风力致热有了较大的发展。

“风力致热”是将风能转换成热能。目前有三种转换方法。11/3/202457一是风力机发电，再将电能通过电阻丝发热，变成热能。虽然电能转换成热能的效率是100％，但风能转换成电能的效率却很低，因此从能量利用的角度看，这种方法是不可取的。11/3/202458二是由风力机将风能转换成空气压缩能，再转换成热能，即由风力机带动一离心压缩机，对空气进行绝热压缩而放出热能。三是将风力机直接转换成热能。显然第三种方法致热效率最高。风力机直接转换热能也有多种方法。最简单的是搅拌液体致热，即风力机带动搅拌器转动，从而使液体（水或油）变热。11/3/20245911/3/202460“液体挤压致热”是用风力机带动液压泵，使液体加压后再从狭小的阻尼小孔中高速喷出而使工作液体加热。此外还有固体摩擦致热和涡电流致热等方法。11/3/202461风能优点风能蕴藏量大，分布广；不枯竭，可再生，无污染，是一种可就地利用而且干净的能源。11/3/202462风力资源是清洁型，节约型能源一个新型的1000KW风机年平均可减少其它电力资源所产生的2000吨二氧化碳。风机生产能源的平均使用年限是20年，它是整个风场总的从建立到运作，维修乃至报废所花的时间的8倍多。换而言之，风场的建立周期平均只花两到三个月的时间。11/3/202463丰富的风力资源风力资源不但丰富而且是可再生的资源。很多国家正计划把大量消耗的电能由风力发电来提供，而丹麦就是其中国家之一。在2000年，风力发电已占全国整个用电量的13%，到2003年，这个百分比还会上升到16%。按照丹麦的政府计划，到2030年，全国的用电量有50%将来源于风力发电。11/3/202464风能是一种便宜的能源风能已成为现有能源中较便宜的能源。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，所以安装越多风机的风场具有越高的经济效益。11/3/202465安全的风能就环境保护而言，风力资源的利用不产生辐射和残渣物。对此，我们有可证实的安全记录。在风力工业中，死亡性的事故仅可能发生在建设和维修工作中。11/3/202466风机的可靠性

风机仅在有风的时候产生能源，而且风能的产量也随阵风的变化而变化。考虑到风机所受的磨损和外力作用的影响，风机的使用年限为正常运作120,000小时。高质量的现代风机的可靠性可达98%以上，即一年中平均有98%的时间风机可以进行正常的操作和运行，其可靠性高于其它电力发电机的技术。现代的风机仅半年维护检查一次。11/3/202467风能对土地的占用率极小

在一个建好的典型的风场，风机及交通所用的路径仅占整个风场面积的1%。相较之下，一个占用36平方米或0.0036公顷的风机每年产生120万到180万度电，别的生物能源则需要占用于154公顷的土地才能产生130万度电。太阳能则需要1.4公顷的面积才能产生同等数量的度电。11/3/202468内陆地区的风能利用风力带来更好的经济效益鉴于沿海地区的岛屿风力状况，建立风场是比较理想的项目，实际上在内陆也能使风机能产生更好的经济效益。当风经过山坡或山区的时候，风被压缩之后风速也相对明显地提高了。因而在山顶开阔的迎风的地方就是风机的最好选址。11/3/202469风能缺点因风能受地理环境、季节、昼夜等因素的影响，要想充分而有效地利用比较困难，需要综合运用高新技术。就学科而言，它涉及空气动力学、电机学、结构力学、材料学、气象学和控制论等。11/3/202470风力并非持续不断，风能的最大弱点是它的多变性，且有不稳定与间歇性的缺点。故欲有效利用风能，可采三种方式：(1)间断式使用：如抽水灌溉，水产养殖，居民、牲畜用水。使用动力不必持续稳定，偶有间断亦无妨。(2)储存式使用：如利用电池、飞轮、抽蓄等储能方式，将动力贮存，以供无风时使用。11/3/202471(3)并联式使用：可将风力机与水力、火力发电系统并联配合，风小或无风时以水力或火力立即补充，使电力供应稳定持续。11/3/20247211/3/20247311/3/20247411/3/20247511/3/20247611/3/20247711/3/20247811/3/20247911/3/20248011/3/20248111/3/20248211/3/20248311/3/20248411/3/20248511/3/20248611/3/20248711/3/20248811/3/202489五、中国风能现状11/3/20249011/3/20249111/3/20249211/3/20249311/3/20249411/3/20249511/3/20249611/3/20249711/3/20249811/3/20249911/3/202410011/3/202410111/3/202410211/