清潔能源概論7風能

風能概述風況風能利用風力機1一、概述風的產生風是地球上的一種自然現象，它是由太陽輻射熱引起的。太陽照射到地球表面，地球表面各處受熱不同，產生溫差，從而引起大氣的對流運動形成風。2一、概述風能總量據估計，到達地球的太陽能中雖然只有大約2％轉化為風能，但其總量仍是十分可觀的。全球的風能約為2.74l09MW，其中可利用的風能為2107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。3一、概述風能利用的歷史人類利用風能的歷史可以追溯到公元前。我國是世界上最早利用風能的國家之一。公元前數世紀我國人民就利用風力提水、灌溉、磨面、舂米，用風帆推動船舶前進。到了宋代更是我國應用風車的全盛時代，當時流行的垂直軸風車，一直沿用至今。我國歷史上著名的科學著作《天工開物》中記載的“揚郡以風帆數扇，俟風轉車，風息則止”，《物理小識》中描述的“用風帆6幅、車水增田，淮揚海填皆為之”是對當時水平軸風車應用于農業(yè)生產的忠實寫照。45一、概述在國外，公元前2世紀，古波斯人就利用垂直軸風車碾米。10世紀伊斯蘭人用風車提水，11世紀風車在中東已獲得廣泛的應用。13世紀風車傳至歐洲，14世紀已成為歐洲不可缺少的原動機。在荷蘭，風車先用于萊茵河三角洲湖地和低濕地的汲水，以后又用于榨油和鋸木。只是由于蒸汽機的出現，才使歐洲風車數目急劇下降。67一、概述數千年來，風能技術發(fā)展緩慢，也沒有引起人們足夠的重視。但自1973年世界石油危機以來，在常規(guī)能源告急和全球生態(tài)環(huán)境惡化的雙重壓力下，風能作為新能源的一部分才重新有了長足的發(fā)展。風能作為一種無污染和可再生的新能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，特別是對沿海島嶼，交通不便的邊遠山區(qū)，地廣人稀的草原牧場，以及遠離電網和近期內電網還難以達到的農村、邊疆，作為解決生產和生活能源的一種可靠途徑，有著十分重要的意義。8一、概述即使在發(fā)達國家，風能作為一種高效清潔的新能源也日益受到重視。美國早在1974年就開始實行聯邦風能計劃。其內容主要是：評估國家的風能資源；研究風能開發(fā)中的社會和環(huán)境問題；改進風力機的性能，降低造價；主要研究為農業(yè)和其他用戶用的小于100kW的風力機；為電力公司及工業(yè)用戶設計的兆瓦級的風力發(fā)電機組。美國已于80年代成功地開發(fā)了100、200、2000、2500、6200、7200kW的6種風力機。9一、概述目前美國已成為世界上風力機裝機容量最多的國家，超過2104MW，每年還以10％的速度增長?，F在世界上最大的新型風力發(fā)電機組已在夏威夷島建成運行，其風力機葉片直徑為97.5m，重144t，風輪迎風角的調整和機組的運行都由計算機控制，年發(fā)電量達1000萬kW·h。根據美國能源部的統(tǒng)計至1990年美國風力發(fā)電已占總發(fā)電量的1％，發(fā)電成本也從3美分/(kW.h)降至1美分/(kW.h)。10一、概述我國位于亞洲大陸東南、瀕臨太平洋西岸，季風強盛。季風是我國氣候的基本特征，如冬季季風在華北長達6個月，東北長達7個月。東南季風則遍及我國的東半壁。根據國家氣象局估計，全國風力資源的總儲量為每年16億kW，近期可開發(fā)的約為1.6億kW；內蒙古、青海、黑龍江、甘肅等省風能儲量居我國前列，年平均風速大于3m/s的天數在200天以上。

11一、概述我國風力機的發(fā)展在50年代末是各種木結構的布篷式風車，1959年僅江蘇省就有木風車20多萬臺。到60年代中期主要是發(fā)展風力提水機。70年代中期以后風能開發(fā)利用列入“六五”國家重點項目，得到迅速發(fā)展。上世紀80年代中期以后我國先后從丹麥、比利時、瑞典、美國、德國引進一批中、大型風力發(fā)電機組。在新疆、內蒙古的風口及山東、浙江、福建、廣東的島嶼建立了8座示范性風力發(fā)電場。1992年裝機容量已達8MW。12一、概述新疆達坂城的風力發(fā)電場裝機容量已達3300kw，是全國目前最大的風力發(fā)電場。至1990年底全國風力提水的灌溉面積已達2.58萬畝。1997年新增風力發(fā)電10萬kW。目前我國已研制出100多種不同型式、不同容量的風力發(fā)電機組，并初步形成了風力機產業(yè)。目前，我國風電裝機容量約有100萬千瓦。根據國家發(fā)改委的能源中長期發(fā)展規(guī)劃，到2010年，我國風電裝機容量要達到500萬千瓦，“十一五”期間，全國新增風電裝機容量約400萬千瓦，未來5年內平均每年要增加80萬千瓦。13全國風電場裝機概況2006.614盡管如此，與發(fā)達國家相比，我國風能的開發(fā)利用還相當落后，不但發(fā)展速度緩慢而且技術落后，遠沒有形成規(guī)模。21世紀我國應在風能的開發(fā)利用上加大投入力度，使高效清潔的風能能在我國能源的格局中占有應有的地位。一、概述15二、風況風的形成

風的變化

(1)風隨時間的變化

(2)風隨高度的變化

(3)風的隨機性變化

(4)風玫瑰圖風力等級風況曲線16二、風況1.風的形成對人類來說，風是最熟悉的自然現象。要了解風的形成必須了解包圍著地球的大氣的運動。大氣的流動也像水流一樣是從壓力高處往壓力低處流。太陽能正是形成大氣壓差的原因。由于地球自轉軸與圍繞太陽的公轉軸之間存在66.5。的夾角，因此對地球上不同地點，太陽照射角度是不同的，而且對同一地點一年365天中這個角度也是變化的。地球上某處所接受17二、風況的太陽輻射能正是與該地點太陽照射角的正弦成正比。地球南北極接受太陽輻射能少，所以溫度低，氣壓高；而赤道接受熱量多，溫度高，氣壓低。另外地球又繞自轉軸每24小時旋轉一周，溫度、氣壓晝夜變化。由于地球表面各處的溫度、氣壓變化，氣流就會從壓力高處向壓力低處運動，而形成不同方向的風，并伴隨不同的氣象變化。18二、風況地形地貌也會影響風的形成如海邊，由于海水熱容量大，接受太陽輻射能后，表面升溫慢，陸地熱容量小，升溫比較快。于是在白天，由于陸地空氣溫度高，空氣上升而形成海面吹向陸地的海陸風。反之在夜晚，海水降溫低，海面空氣溫度高，空氣上升而形成由陸地吹向海面的陸海風。19(a)白晝海陸風海陸風的形成(b)夜間陸海風20二、風況同樣在山區(qū)，白天太陽使山上空氣溫度升高，隨著熱空氣上升，山谷冷空氣隨之向上運動，形成“谷風”。相反到夜間，空氣中的熱量向高處散發(fā)，氣體密度增加，空氣沿山坡向下移動，又形成所謂“山風”。21山谷風

(b)白天“谷風”

(a)夜間“山風”

22二、風況2.風的變化(1)風隨時間的變化風隨時間的變化，包括每日的變化和季節(jié)的變化。通常一天之中風的強弱在某種程度上可以看作是周期性的。如地面上夜間風弱，白天風強；高空中正相反是夜里風強，白天風弱。這個逆轉的臨界高度約為100150m。23日本川口國際廣播電臺的無線電鐵塔上測得的不同高度處，一天內的風速變化24二、風況由于季節(jié)的變化，太陽和地球的相對位置也發(fā)生變化，使地球上存在季節(jié)性的溫差。因此風向和風的強度也會發(fā)生季節(jié)性變化。我國大部分地區(qū)風的季節(jié)性變化情況是：春季最強，冬季次之，夏季最弱。當然也有部分地區(qū)例外，如沿海溫州地區(qū)，夏季季風員強，春季季風最弱。25二、風況(2)風隨高度的變化從空氣運動的角度，通常將不同高度的大氣層分為三個區(qū)域。離地面2m以內的區(qū)域稱為底層；2-100m的區(qū)域稱為下部摩擦層，二者總稱為地面境界層；從100-1000m的區(qū)段稱為上部摩擦層，以上三區(qū)域總稱為摩擦層。摩擦層之上是自由大氣。26大氣層的構成27二、風況地面境界層內空氣流動受渦流、黏性和地面植物及建筑物等的影響，風向基本不變，但越往高處風速越大。各種不同地面情況下，城市、鄉(xiāng)村和海邊平地，其風速隨高度的變化如下圖所示。28不同地面上風速和高度的關系29關于風速隨高度而變化的經驗公式很多：通常采用所謂指數公式，即

m/s(4-1)式中v—距地面高度為h處的風速，m/s；v1—高度為h1處的風速，m/s；n—經驗指數，它取決于大氣穩(wěn)定度和地面粗糙度，其值約為1/2～1/80。二、風況30二、風況對于地面境界層，風速隨高度的變化則主要取決于地面粗糙度。不同地面情況的地面粗糙度如表4-1所示。此時計算近地面不同高度的風速時仍采用式(4-1)，只是用代替式中的指數n。31二、風況(3)風的隨機性變化如果用自動記錄儀來記錄風速，就會發(fā)現風速是不斷變化的，一般所說的風速是指變動部位的平均風速。通常自然風是一種平均風速與瞬間激烈變動的紊流相重合的風。紊亂氣流所產生的瞬時高峰風速也叫陣風風速。下圖表示了陣風和平均風速的關系。32陣風和平均風速a-陣風振幅；b-陣風的形成時間；c-陣風的最大偏移量；d-陣風消失時間33二、風況(4)風玫瑰圖

“風玫瑰圖”是一個給定地點一段時間內的風向分布圖。通過它可以得知當地的主導風向。最常見的風玫瑰圖是一個圓，圓上引出16條放射線，它們代表16個不同的方向，每條直線的長度與這個方向的風的頻度成正比。靜風的頻度放在中間。有些風玫瑰圖上還指示出了各風向的風速范圍。季風的風玫瑰圖如下圖所示。3435圖4-7風玫瑰圖(a)風向的16個方位；(b)風玫瑰示意圖3637二、風況3.風力等級世界氣象組織將風力分為13個等級，如表4-2所示，在沒有風速計時可以根據它來粗略估計風速。38二、風況39二、風況40二、風況4.風況曲線風況曲線是風能利用的基礎資料。它是將全年〔8760h)風速在v(m/s)以上的時間作為橫坐標，縱坐標則為風速v(見圖4-8)，從風況曲線即可知道該地區(qū)某種風速以上有多少小時，從而制定相應的風能利用計劃。41日本石廊崎等地區(qū)的風況曲線42三、風能利用可以用下面的簡單公式來估算風能：風速為p的流動空氣的動能E為E＝(1/2)mv2，其中m為流體空氣的質量。如果用表示流動空氣的密度，則每平方米面積上流過的空氣質量為v；因此每平方米面積上風速為v的風的能量密度P為：

P＝(1/2)·v·v2＝(1/2)·v3W/m243三、風能利用顯然風速v愈高，風力機可能獲得的風能P也愈大，因此風力機應安裝在風速大的地方，而且風力機的迎風面積越大，所獲得的風能也越多。值得注意的是，由于流經風力機后，風速不可能為零，因此風所擁有的能量并不能完全被利用，也就是說只有風能的一部分被轉換成風力機槳葉的機械能，然后這一機械能再被利用來提水，碾米或轉換成電能。44三、風能利用由于空氣的密度僅僅是水密度的1/816，因此與水能相比，在相同的流速下，風能的能流密度是很低的。風能和其他能源的能流密度之比見表4-3。由于風能能流密度低就給其利用帶來一定的困難。45風能目前主要用于以下幾方面：46三、風能利用風力發(fā)電利用風力發(fā)電已越來越成為風能利用的主要形式，受到世界各國的高度重視，而且發(fā)展速度最快。風力發(fā)電通常有三種運行方式。一是獨立運行方式，通常是一臺小型風力發(fā)電機向一戶或幾戶提供電力，它用蓄電池蓄能，以保證無風時的用電。二是風力發(fā)電與其他發(fā)電方式(如柴油機發(fā)電)相結合，向一個單位或一個村莊或一個海島供電。三是風力發(fā)電并入常規(guī)電網運行，向大電網提供電力；常常是一處風場安裝幾十臺甚至幾百臺風力發(fā)電機，這是風力發(fā)電的主要發(fā)展方向。表4-4是美國小型風力發(fā)電系統(tǒng)的設計指標。47表4-4美國小型風力發(fā)電系統(tǒng)的設計指標48三、風能利用風帆助航在機動船舶發(fā)展的今天，為節(jié)約燃油和提高航速，古老的風帆助航也得到了發(fā)展。航運大國日本已在萬噸級貨船上采用電腦控制的風帆助航，節(jié)油率達15％。49三、風能利用風力致熱隨著人民生活水平的提高，家庭用能中熱能的需要越來越大，特別是在高緯度的歐洲、北美取暖，煮水是耗能大戶。為解決家庭及低品位工業(yè)熱能的需要，風力致熱有了較大的發(fā)展。“風力致熱”是將風能轉換成熱能。目前有三種轉換方法。一是風力機發(fā)電，再將電能通過電阻絲發(fā)熱，但風能轉換成電能的效率卻很低、因此從能量利用的角度看，這種方法是不可取的。二是由風力機將風能轉換成空氣壓縮能，再轉換成熱能，即由風力機帶動一離心壓縮機，對空氣進行絕熱壓縮而放出熱能。三是將風力機直接轉換成熱能。顯然第三種方法致熱效率最高。50三、風能利用風力機直接轉換熱能也有多種方法。最簡單的是攪拌液體致熱．即風力機帶動攪拌器轉動，從而使液體(水或油)變熱?！耙后w擠壓致熱”是用風力機帶動液壓泵，使液體加壓后再從狹小的阻尼小孔中高速噴出而使工作液體加熱。此外還有團體摩擦致熱和渦電流致熱等方法。51風力熱水裝置示意圖52四、風力機風力機又稱風車，是一種將風能轉換成機械能、電能或熱