新能源工程 風能

第九章風能9.1風能基本知識風是由太陽的熱輻射在地球上引起的“空氣流動”。太陽照射地面，溫度升高，氣壓變化，高壓冷空氣流向低壓區(qū)，空氣流動形成了風。氣壓差值越大，風也就越大。赤道附近接收太陽能多，南、北極接收太陽能較少．如果地球表面情況一樣，且忽略地球轉(zhuǎn)動作用，則赤道附近空氣受熱膨脹向上、流向兩極；而兩極的冷空氣，沿地表硫向赤道。實際上，地球轉(zhuǎn)動也產(chǎn)生影響，在同樣日照情況下，海面升溫慢，陸地升溫快；山谷升溫慢，山脊升溫快，很多復(fù)雜因素造成不同地區(qū)、不同季節(jié)里，空氣的流動是變化多樣的，因而風向、風速也是變化無常的。9.1.1風的形成在一定的時間范圍內(nèi)，某風向出現(xiàn)的次數(shù)占各風向出現(xiàn)的總次數(shù)的百分比，稱作風向頻率。風向風向頻率=風向出現(xiàn)的總次數(shù)某風向出現(xiàn)的次數(shù)把一晝夜中每小時測得的風速相加，再除以24，為日平均風速日平均風速100%9.1.2基本概念風速頻率相同風速出現(xiàn)的時數(shù)測量總時數(shù)風速頻率=100%一定時間內(nèi)，相同風速出現(xiàn)的時數(shù)占測量總時數(shù)的百分比稱作風速頻率在求得平均風速的限定時間內(nèi)，最大風速與最小風速之差，稱為風速變幅對風能利用來說，既希望平均風速較高，又希望風速變幅小。以保證風力機平穩(wěn)運行，便于控制。風速變幅3~20m/s的風速稱為有效風速。據(jù)此計算出來的風速頻率和風能，分別稱為有效風頻和有效風能。起動風速可使風力機起動運行的風速稱為起動風速。國內(nèi)常取3m／s為起動風速切除風速有效風速限制風力機超速運行的上限風速為切除風速。大于這個風速時，風力機必須停轉(zhuǎn)，否則有因超速旋轉(zhuǎn)而損壞的危險。國內(nèi)常取20m／s為切除風速垂直高度風速分布由于風與地面摩擦的結(jié)果，風速隨著垂直高度的增加而增大，在離地面l00m的高度范圍內(nèi)，垂直高度H處的風速，可按下式求得υ——高度H處的風速；υ。——高度Ho處的風速(氣象站風速測定點高度一般為10m，所以Ho一般為10m）；n——地表面摩擦系數(shù)，其數(shù)值常在0.1-0.4之間，n的典型數(shù)值可 查表得到或通過實驗得到υ=υ0（H/H0）nt＝8760×(π/2)·(υ/υp2)e-k瑞利分布公式當某—地點的年平均風速已經(jīng)知道，可用瑞利分布公式求得在一年內(nèi)任意風速下的小時數(shù)。瑞利分布公式為式中：t——一年內(nèi)某一風速下的小時數(shù)；υ——某一風速；υp——該處年平均風速；k=(π/4)·(υ/υp)2

說明：當年平均風速低于4.5m／s時，計算結(jié)果所得誤差較大：年平均風速低于3.5m／s時此公式不適用單位時間垂直穿過截面A的空氣所具有的動能（單位：W），為風所具有的功率，以N表示評價風能資源的重要參數(shù)單位時間垂直通過1m2面積的空氣所具有的動能稱為風能密度，以E0表示。單位為W／m2N=0.5×Aρυ3E0=0.5×ρυ3風能密度(1)風能與空氣的密度成正比；(2)風能與通過的面積成正比；(3)風能與風速的立方成正比。[W／m2][W]ρ——為當?shù)乜諝饷芏扔嬎隳车匾荒陜?nèi)風能的大小，不能簡單地用年平均風速，還要考慮風速的分布情況。年平均風速相同，而風速頻率不一樣時，計算出來的風能量常常相差很大。年有效風能用下式計算有效風能W=0.6125×10-3×∑(t·υ3)320式中：W—年有效風能(kW·h／m2)0.6125——1/2空氣密度(kg／m3)υ——3.0~20m／s之間的某一風速t——風速υ在一年內(nèi)出現(xiàn)的小時數(shù)有效風能密度我國東南沿海及一些島嶼的風能資源較好；內(nèi)陸沿東北、內(nèi)蒙古、甘肅至新疆一帶，風能資源也比較豐富，年平均風能密度在100一200W／m2，全年有效風速累計小時達3000—6000h。9.1.3我國風能資源年有效風能除以年有效風速的持續(xù)小時數(shù)，為有效風能密度有效風能密度EW=0.6125×10-3203

∑t320∑(t·υ3)(1)風能是可再生能源，取之不盡，用之不竭(2)在偏遠山區(qū)、海濱、居民分散的無電或少電地區(qū)值得開發(fā)利用(3)開發(fā)利用風能，無環(huán)境污染與生態(tài)平衡問題(4)把風能轉(zhuǎn)換成機械能，工藝簡單，容易實現(xiàn)9.2風能資源的特點風能資源的優(yōu)點(1)風能隨季節(jié)、晝夜變化，當小風或無風時還想利用它，則需要貯能系統(tǒng)(2)風能密度比較低，要獲得較大的功率，需要把風機風輪作得很大。(3)風能受地形地物的影響較大，即使在同區(qū)域，有利地形處的風力往往是不利地形處的幾倍乃至更多。風能資源的缺點

目前，美國以及丹麥、荷蘭、瑞典、法國、德國、英國等西歐國家在風能開發(fā)利用方面居世界領(lǐng)先地位。他們的風力機的發(fā)展都經(jīng)歷了從小到大，由單機運行到并網(wǎng)發(fā)電，以及大規(guī)模風力田(也稱電風場、風車田)的建設(shè)的過程。9.2風能發(fā)展利用現(xiàn)狀

風力田施工周期短，投資相對易回收。發(fā)展很快。2009年全球風能裝機容量已經(jīng)超過1億千瓦。世界上最大的風力企業(yè)在美國加利福尼亞州的薩克拉門托河三角洲，該處風力發(fā)電裝機容量超過20萬kw、年發(fā)電超過4x108kW·h。根據(jù)BTMConsult公司預(yù)測，到2020年，全球風能裝機容量將達10億千瓦，將占全球電力供應(yīng)的7%到8%。大規(guī)模風力田(也稱電風場、風車田)的建設(shè)優(yōu)勢我國內(nèi)蒙古的風力田河北承德木蘭圍場的風力田

國外主要以中型風力機所組成的風力田向電網(wǎng)供電；而電網(wǎng)不能達到的分散農(nóng)戶、通訊站、燈塔導航等則使用小型風力機供電。風力田并網(wǎng)發(fā)電與特定用戶的小型風機的互補美國、荷蘭、丹麥等一些國家的中、小型風力發(fā)電機已商品化。十分重視大型風力機的研制。大型風力發(fā)電機的風輪葉片長度已超過100m，單機功率已達到4000kW。風力機使用壽命可達30年，運行可靠性好，自動化操縱管理水平高。商品化2008年4月完工的巴林世貿(mào)中心在50層、高240米的辦公塔樓之間安裝了3臺發(fā)電風車，成為世界上首座為自身持續(xù)提供可再生能源的摩天大樓。這3臺發(fā)電風車每年約能提供1200兆瓦時(120萬度)的電力。

。丹麥出口到世界各地的風力渦輪機已有5萬臺，接近全球總數(shù)的50%。丹麥24%的能源來自風能。2020年風能的比例將增加到50%。在哥本哈根港口，距離海岸線3公里，20個巨大風力渦輪機。雖然建造在城市的門戶，極其顯眼，但卻得到大多數(shù)民眾的認可。9.3風能利用方式1．風輪與發(fā)電機的匹配：9.3.1．風力發(fā)電其中同步發(fā)電機應(yīng)用得更多些。國內(nèi)還沒有風力發(fā)電專用的發(fā)電機系列產(chǎn)品，設(shè)計者是從現(xiàn)有的發(fā)電機中選用。選用時必須考慮風輪與發(fā)電機之間的功率匹配、轉(zhuǎn)速匹配等問題。常用電機水磁發(fā)電機同步勵磁發(fā)電機變速變頻發(fā)電機異步發(fā)電機風力發(fā)電為國內(nèi)外的主要應(yīng)用方式風能→機械能→其他能（發(fā)電、提水、制熱等）2．風能供電組供電方式獨立供電（國內(nèi)方式）并網(wǎng)運行直流供電交流供電(1)直流供電

直流供電是小型風力發(fā)電機組供電的主要方式。先將風力發(fā)電機的交流電整流成直流，蓄電池作為貯能設(shè)備，可使電能的穩(wěn)壓問題得到解決。小型風力發(fā)電機組的直流供電，主要用作照明、電視機、收音機等生活用電的電源。(2)交流供電

風能不均勻，若發(fā)出的交流電直接供給用戶，存在著穩(wěn)頻、穩(wěn)壓和貯能等技術(shù)難題。目前的交流供電方式主要有：風能的不均勻性使發(fā)電機組的電壓控制、頻率控制和貯能成為較大的技術(shù)難題。特別是貯能問題，隨著機組容量的增大，顯得更加突出。風力發(fā)電機組與電力系統(tǒng)并列運行，能較好地解決這些問題。①交流直接供電：多用于對電能質(zhì)量無特殊要求的情況，例如加熱水、海水談化等。②通過“交一直一交”逆變器供電：先將風力發(fā)電機發(fā)出的交流電整流，再把直流電變換成電壓和頻率都很穩(wěn)定的交流電輸出。9.3.2．風力提水風力提水在世界各地，特別是在發(fā)展中國家得到廣泛的應(yīng)用。風力提水的優(yōu)勢風力提水機結(jié)構(gòu)可靠、制造容易、成本較低、維護操作簡單。貯能問題容易解決，可提水蓄水簡單實現(xiàn)儲能利用。多數(shù)風力提水機在風速為3m／S時就可以起動。經(jīng)濟效益比較顯著。利用風力提水制鹽、養(yǎng)蝦等，不僅節(jié)省常規(guī)能源，沒有污染，而且經(jīng)濟效益較好。應(yīng)用范圍較廣?？梢杂米鬓r(nóng)田與草場等灌溉，提供人、畜用水或水產(chǎn)養(yǎng)殖，提取海水制鹽等。風力提水設(shè)備主要由提水風機和配套水泵或水車（p294）構(gòu)成內(nèi)蒙生產(chǎn)的風力提水設(shè)備山東日照風力提水老式提水機美、英、日等的風力制熱技術(shù)已經(jīng)進入實用水平，主要用于浴池供熱水，住宅取暖、溫室供熱、水產(chǎn)養(yǎng)殖池水保溫、野外作業(yè)防凍等。在我國的許多地區(qū)，在較寒冷的季節(jié)風能正旺，可把寒風轉(zhuǎn)換成熱能，供給住戶、禽畜舍、蔬菜棚等。9.3.3．風力制熱

前兩種轉(zhuǎn)換方式，由于轉(zhuǎn)換次數(shù)多，導致總轉(zhuǎn)換效率的下降，相形之下，第3種轉(zhuǎn)換方式更為合理。風熱轉(zhuǎn)換途徑①風能→機械能→電能→熱能②風能→機械能→空氣壓縮能→熱能③風能→機械能→熱能。系統(tǒng)總效率高。風力提水系統(tǒng)的總效率一般為10％~20％：而風能一機械能一熱能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的總效率可達30％。風輪的工作特性與致熱裝置的工作特性比較接近，易實現(xiàn)合理匹配。風熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)對風況質(zhì)量要求不高，對風速的變化適應(yīng)性強。第3種轉(zhuǎn)換方式更為合理，具有以下優(yōu)越性：風熱轉(zhuǎn)換的形式風熱轉(zhuǎn)換的主要方式液體擠壓致熱固體摩擦致熱渦電流致熱攪拌液體致熱(1)固體摩擦致熱

風機動力輸出軸驅(qū)動一組摩擦元件，旋轉(zhuǎn)時在固體表面摩擦生熱加熱液體。其主要缺點是元件磨損較快，需要定期維護與更換。(2)攪拌液體致熱動力輸出軸帶動攪拌器的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子與定子均有葉片。當轉(zhuǎn)子葉片攪拌液體產(chǎn)生渦流運動并沖擊定子葉片時，液體的動能轉(zhuǎn)換成熱能。這種方式的優(yōu)點是風力機輸出軸直接帶動攪拌器，任何轉(zhuǎn)速下攪拌器都能全部利用輸入的機械能。風輪與攪拌器的工作特性能合理匹配。致熱器結(jié)構(gòu)簡單、容易制造、可靠性好。對結(jié)構(gòu)材料和工作液體無特殊要求。攪拌器是風力機的“天然”制動器。風力機系統(tǒng)不必另設(shè)超速保護裝置。(3)液體擠壓致熱

利用液壓泵和阻尼孔相配合產(chǎn)生熱量風機動力帶動液壓泵，加壓液體工質(zhì)(如油)，機械能轉(zhuǎn)換成壓力能，高壓液體從噴孔高速噴出，壓力能瞬間轉(zhuǎn)換為動能。當高速液體沖擊低速液體時，液體的動能通過液體分子之間的沖擊和摩擦轉(zhuǎn)換為熱能，流速下降，溫度升高。優(yōu)點：這種致熱方式不像固體摩擦致熱那樣引起部件摩損，也不像攪拌液體致熱那樣產(chǎn)生“空穴”而引起對構(gòu)件的侵蝕?？煽啃院茫瑝勖L。(4）渦電流致熱風機動力帶動轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子外緣上裝有線圈，來自電池的電流磁化線圈產(chǎn)生磁力線，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時定子切割磁力線，產(chǎn)生渦電流發(fā)熱。定子外圍是環(huán)形冷卻液套，液體流過將熱量帶走。此裝置熱轉(zhuǎn)換能力強，體積小。按風輪軸方向，分為水平袖與垂直軸式按葉片工作原理，分為升力型、阻力型按葉片材料，分為木質(zhì)、金屬和復(fù)合材料。按葉片形狀，可分為平板型、弧板型、流線型。按容量大小，分為微型(1kW以下)、小型(1~10kW)、中型(10~100kw)、大型(100~1000kw)和巨型(1000kw以上)。國外一般只分三類即小型（100kW以下)、中型(100~1000kw)和大型(1000kw以上)。按用途分為風力發(fā)電、風力提水、風力鍘草、風力飼料粉碎機等按風輪葉片尖端線速度與對應(yīng)風速之比，分為高速風力機(比值大于3)和低速風力機(比值小于3)；也有比值在2~5之間者，稱為中速風力機。9.4風力機的結(jié)構(gòu)和工作原理9.4.1風力機分類風力機的結(jié)構(gòu)形式繁多，分類方法多種多樣

按葉片數(shù)量，分為單葉片、雙葉片、三葉片、四葉片和多葉片式按風輪與塔架相對位置，分為:（a)上風向（前置式）

(b)下風向（后置式）風力機一般由風輪、傳動裝置、作功裝置、蓄能裝置、控制系統(tǒng)、塔架、附屬部件等組成9.4.2風力機的組成及各部件的功用1、風輪2、傳動裝置3、塔架4、尾舵5、限速機構(gòu)6、發(fā)電機7、蓄電池小型風力發(fā)電機的基本組成1234567風輪是風力機最重要的部件，它是風力機區(qū)別于其它動力機的主要標志。其作用是捕捉和吸收風能，并將風能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。由風輪軸將能量送至傳動裝置。以水平軸風機為例，介紹常見風機的基本組成和功用1．風輪風輪組成輪轂葉片葉柄風輪袖葉片基本類型：平板型、弧板型、流線型。流線型＞弧扳型＞平板型相同條件下的風能吸收：風力提水機的風輪與風力發(fā)電機的風輪的主要不同之處：前者葉片數(shù)多，風輪轉(zhuǎn)速低，產(chǎn)生的扭力矩大。由于風力提