3a新能源和風(fēng)力發(fā)電

新能源發(fā)電技術(shù)朱永強華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院本課程的配套教材：《新能源與分布式發(fā)電技術(shù)》，朱永強主編，北京大學(xué)出版社，2010.09（1）大氣污染化石燃料的利用過程會產(chǎn)生CO、SO2、NOx等有害氣體，

不僅能導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的破壞，還會直接損害人體健康。在很多地區(qū)，因大氣污染造成的損失已經(jīng)相當(dāng)嚴重。

歐盟每年超過100億美元，我國也高達120億元人民幣。常規(guī)能源的環(huán)境影響清潔空氣下的洛杉磯煙霧籠罩下的洛杉磯（2）酸雨SO2、NOx等污染物，經(jīng)大氣傳輸，在一定條件下形成酸雨，危害農(nóng)作物和森林生態(tài)系統(tǒng)，破壞水生生態(tài)系統(tǒng)，腐蝕材料，造成重大經(jīng)濟損失。酸雨還導(dǎo)致地區(qū)氣候改變。常規(guī)能源的環(huán)境影響酸雨的“威力”（3）溫室效應(yīng)大氣中CO2的濃度增加一倍，地表平均溫度將上升1.5～3℃，在極地可能會上升6～8℃，結(jié)果可能導(dǎo)致海平面上升20～140cm，將給許多國家造成嚴重的經(jīng)濟和社會影響。常規(guī)能源的環(huán)境影響（4）其它影響能源開采、運輸和加工過程，也可能造成嚴重損失。平均每開采1萬噸煤，受傷人數(shù)為15～30人，

可能造成0.2公頃土地塌陷，平均每年超過200km2。核能利用存在核廢料問題，如不能妥善處理，放射性的危害或風(fēng)險將持續(xù)幾百年。常規(guī)能源的環(huán)境影響1995年《電力法》第一章“總則”中明確宣布，國家鼓勵和支持利用可再生能源和清潔能源來發(fā)電。第六章“農(nóng)村電力建設(shè)和農(nóng)業(yè)用電”中進一步強調(diào)指出，農(nóng)村利用太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能和其他能源進行農(nóng)村電力建設(shè)，增加農(nóng)村電力供應(yīng)，將得到國家的支持和鼓勵。1997年《節(jié)約能源法》再次肯定了新能源對于節(jié)能減排、改善環(huán)境的重要戰(zhàn)略作用和地位。一些地方政府也制定并出臺了關(guān)于新能源和可再生能源的法律、法規(guī)和條例。我國的新能源發(fā)展戰(zhàn)略2009年《新能源產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃(草案)》提出新能源發(fā)電2020年的裝機目標：風(fēng)電1.3～1.5億千瓦，太陽能發(fā)電2000萬千瓦。風(fēng)力發(fā)電全國平均風(fēng)能密度約為100W/m2，風(fēng)能總儲量約48億兆瓦，陸上和近海區(qū)域10米高度可開發(fā)風(fēng)能資源儲量約10億kW，其中有很好開發(fā)利用價值的陸上風(fēng)資源大約有2.53億kW，大體相當(dāng)于我國水電資源技術(shù)可開發(fā)量的一半。我國風(fēng)資源§我國風(fēng)資源中國氣象局風(fēng)能太陽能資源評估中心，公布了

全國平均風(fēng)速分布和有效風(fēng)功率密度分布情況。水平軸風(fēng)力機的結(jié)構(gòu)目前應(yīng)用較多的是水平軸風(fēng)力機，且多用螺旋槳型葉片。水平軸風(fēng)力機主要包括風(fēng)輪、塔架、機艙等部分。翼型及其受力在與飛行器設(shè)計有關(guān)的空氣動力學(xué)中，升力是促使飛行器飛離地面的力。當(dāng)攻角為0o時，升力最小。當(dāng)氣流方向與物體表面垂直時，物體受到的阻力最大。水平軸風(fēng)力機的原理伯努利效應(yīng)空氣的壓力與氣流的速度有一定的對應(yīng)關(guān)系，流速越快，壓力越低，這種現(xiàn)象叫作伯努利效應(yīng)。翼型上表面凸起部分的氣流較快，上表面的空氣壓力比下表面明顯要低，從而對翼型物體產(chǎn)生向上的“吸入”作用，增大升力。水平軸風(fēng)力機的原理風(fēng)能利用系數(shù)任何類型風(fēng)力機都不可能將接觸的風(fēng)能全部轉(zhuǎn)化成機械能，風(fēng)能捕獲效率總是小于1的。風(fēng)力機能夠從風(fēng)中吸取的能量，與風(fēng)輪掃過面積內(nèi)的全部風(fēng)能(未受風(fēng)輪干擾時)之比，稱為風(fēng)能利用系數(shù)。Cp

根據(jù)貝茨理論，風(fēng)力機的風(fēng)能利用系數(shù)的理論最大值是0.593。高性能的螺旋槳式風(fēng)力機，Cp值一般在0.45左右。水平軸風(fēng)力機的原理葉尖速比葉片尖端旋轉(zhuǎn)速率與上游未受干擾的風(fēng)速之比，稱葉尖速比，常用字母λ來表示。當(dāng)

取特定值時Cp值最大，稱之為最佳葉尖速比。水平軸風(fēng)力機的原理取自風(fēng)能的功率風(fēng)力機捕獲風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功率：一般不易對空氣密度、風(fēng)速、葉片半徑等進行實時控制，為了實現(xiàn)風(fēng)能捕獲最大化，唯一的控制參數(shù)就是風(fēng)能利用系數(shù)Cp

。水平軸風(fēng)力機的原理工作風(fēng)速風(fēng)力機并不是在所有風(fēng)速下都能正常工作。風(fēng)力機起動時，有最低扭矩要求，起動扭矩主要與槳距和風(fēng)速有關(guān)，因此風(fēng)力機就有一個起動風(fēng)速，稱為“切入風(fēng)速”。風(fēng)力機達到標稱功率輸出時的風(fēng)速稱為額定風(fēng)速。風(fēng)速提高時，可利用調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使風(fēng)力機的輸出功率保持恒定。風(fēng)速超過技術(shù)上規(guī)定的最高允許值時，風(fēng)力機就有損壞危險，基于安全方面的考慮，風(fēng)力機應(yīng)立即停轉(zhuǎn)。該停機風(fēng)速稱為“切出風(fēng)速”。水平軸風(fēng)力機的原理風(fēng)力發(fā)電機組1葉輪，2輪轂，3變槳距部分，4液壓系統(tǒng)，5齒輪箱，6剎車盤，7發(fā)電機，

8控制系統(tǒng)，9偏航系統(tǒng)，10測風(fēng)系統(tǒng)，11機艙蓋，12塔架風(fēng)電場風(fēng)電場的概念風(fēng)電場的概念于1970s在美國提出，很快在世界各地普及。如今，已經(jīng)成為大規(guī)模利用風(fēng)能的有效方式之一。風(fēng)電場是在某一特定區(qū)域內(nèi)建設(shè)的所有風(fēng)力發(fā)電設(shè)備及配套設(shè)施的總稱。在風(fēng)力資源豐富的地區(qū)，將數(shù)十臺至數(shù)千臺單機容量較大的風(fēng)力發(fā)電機組集中安裝在特定場地，按照地形和主風(fēng)向排成陣列，組成發(fā)電機群，產(chǎn)生數(shù)量較大的電力并送入電網(wǎng)，這種風(fēng)力發(fā)電的場所就是風(fēng)電場。風(fēng)電場具有單機容量小、機組數(shù)目多的特點。例如，建設(shè)一個裝機容量5萬千瓦的風(fēng)電場，若采用目前技術(shù)比較成熟的1.5MW“大容量”機組，也需要33臺風(fēng)電機組。§3.6

風(fēng)電場各種類型的風(fēng)電場§3.7

風(fēng)電的發(fā)展－世界世界上已運行的最大風(fēng)電機組單機容量已達到5MW，而6MW風(fēng)電機組也已研制成功。目前，海上風(fēng)電機組的平均單機容量在3MW左右，最大已達6MW。歐洲風(fēng)能協(xié)會和綠色和平組織的最新出版物《風(fēng)電12》指出，到2020年世界電力的12%將來源于風(fēng)電。§3.7

風(fēng)電的發(fā)展－我國中國之最1986年建成的山東榮成風(fēng)電場是我國第一個并網(wǎng)的風(fēng)電場。1989年建成的新疆達坂城風(fēng)電場是我國最早的大型風(fēng)電場。目前，建設(shè)中規(guī)模最大的風(fēng)電場是甘肅玉門風(fēng)電場。2009年，我國自主制造的3MW海上風(fēng)電機組在上海東海大橋吊裝成功，這是亞洲首臺3MW海上風(fēng)電機組。中國風(fēng)電的發(fā)展在2007年中國的電力結(jié)構(gòu)中，風(fēng)電裝機容量只有0.8%，發(fā)電量的比重只有0.2%。到2008年，我國風(fēng)電的裝機占全國電力裝機的1.5%。截至到2010年，我國風(fēng)電總裝機容量44733.29MW（約0.45億千萬）。按照我國的《新能源產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃》，到2020年，風(fēng)電總裝機容量將達到1.3~1.5億千瓦。風(fēng)電在整個發(fā)電結(jié)構(gòu)中的比重將明顯提高。我國將在內(nèi)蒙、甘