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1、3.风能技术 能源与机械工程学院 李传统 3.风能 n3.1概述 n3.2风况 n3.3风能资源 n3.4风能利用 n3.5风能的价值 n3.6世界风电市场 n3.7环境方面的问题 n3.8中国风力风电预测 3.1概述 n风：太阳照射到地球上，使其表面各处 空气受热不同后产生温差，引起空气对流 运动形成风 。 n风能：空气因密度差别产生流动所具有 的动能。 n公元前中国、波斯开始利用风能；宋朝开 始规模化应用。14世纪欧洲用作动力机械 。荷兰现还使用风车抽水。 n风能的储量：到达地球的太阳能约2 转化为风能。 n全球的风能约为2.74109MW，其中可 利用的风能为2107MW，比地球上可开
2、发利用的水能总量还要大10倍。 n我国风力资源的总储量为每年16亿kW ，近期可开发的约为1.6亿kW，内蒙古 、青海、黑龙江、甘肃等省风能储量居 我国前列。 3.2 风况 n3.2.1 风的起源 n风能源于太阳能，是空气密度发生变化。 n地球上不同区域的主要风向是不同的。 图3.1 地球的大气环流 （a）白昼海防风； （b）夜间海陆风 图3.2 海陆风的形成图 图3.3 山谷风形成图 n3.2.2 风的变化 n同一地点的风也随时间变化。 n故飘风不终朝，骤雨不终日。孰为此者， 天地。-道德经23章 图3.8 阵风和平均风速图 图3.7 不同坡度下离地面高度上风速的变化 图3.9 风玫瑰图 级
3、别风速 m/s 陆地 浪高m 0小于0.3静烟直上 10.3-0.6烟能表示风向，但风标不能转动出现鱼鳞似的微波，但不构成浪0.1 21.6-3.4人的脸部感到有风，树叶微响，风标能转动小波浪清晰，出现浪花，但并 不翻滚0.2 33.4-5.5树叶和细树枝摇动不息，旌旗展开 小波浪增大，浪花开始翻滚， 水泡透明象 玻璃，并且到处出现白浪 0.6 45.5-8.0沙尘风扬，纸片飘起，小树枝摇动小波浪增长，白浪增多1 3.2.3风力等级 表3.2 气象风力等级表 58.0-10.8有树叶的灌木摇动，池塘内的水面起小波浪 波浪中等，浪延伸更清楚，白 浪更多（有 时出现飞沫） 2 610.8-13.9
4、大树枝摇动，电线发出响声，举伞困难 开始产生大的波浪，到处呈现 白沫，浪花 的范围更大（飞沫更多） 3 713.9-17.2整个树木摇动，人迎风行走不便 浪大，浪翻滚，白沫象带子一 样随风飘动4 817.2-20.8小的树枝折断，迎风行走很困难 波浪加大变长，浪花顶端出现 水雾，泡沫 象带子一样清楚地随风飘动 5.5 920.8-24.5建筑物有轻微损坏（如烟囱倒塌，瓦片飞出） 出现大的波浪，泡沫呈粗的带 子随风对动 ，浪前倾，翻滚，倒卷，飞沫挡住视线 7 1024.5-28.5 陆上少见，可使树木连根拔起或将建筑物严重损 坏 浪变长，形成更大的波浪，大 块的泡沫象 白色带子随风飘动，整个海面
5、呈白色，波 浪翻滚 9 1128.5-32.7陆上很少见，有则必引起严重破坏 浪大高如山（中小船舶有时被波浪挡住而 看不见），海面全被随风流动的泡沫覆盖 。浪花顶端刮起水雾，视线受到阻挡 11.5 1232.7以上 空气里充满水泡和飞沫变成一片白色，影 响视线 14 3.2.4 风况曲线 n风况曲线：全年8760h风速在c(m/s)以上 的时间作为横坐标，宗坐标为风速c。 n风况曲线的作用：风能利用的依据。 3.2.5 风能特点和风能密度 n1、风能的特点 n优点：蕴量大、可再生、分布广泛、无污 染； n缺点：能量密度低(风速3m/s时，能流密 度为0.02kW/m2)，不稳定，地区差异大 。
6、 n2、风能密度 n一般表达式为 n (W/m2) (3.3) 密度， kg/m3；c速度，m/s。 n平均风能密度： (W/m2)，（3.4） 3.3风能资源 n3.3.1风的全球资源分布 n见p42表3.4 n在北纬30度和南纬30度之间，空气在赤道 区域受热密度降低，向上流动，来自北方 和南方的较强冷空气不断进行补充，形成 了哈德利环流；北纬30度至60度之间，南 纬30度至60度之间盛行西风，形成波形环 流，向南（或北）输送冷空气，向北（或 南）输送暖空气，称罗斯比环流。 n3.3.1中国的风能资源 n分为四个区：风能丰富区、风能较丰富区 、风能可利用区、风能欠缺区，见 p4344。
7、n风能的开发和利用应主要在风能丰富区和 风能较丰富区进行。 n中国风能分类： nE大于200W/m2为风能丰富区，占全国面积8%； nE为150200W/m2为风能较丰富区，占全国面积 18%； nE为50150W/m2为风能可利用区，占全国面积 50%； nE小于50W/m2为风能欠缺区，占全国面积24%。 3.4风能利用 n3.4.1 风能利用概述 n风力提水 n风力发电 n风帆助航 n风力制热 n1973年世界石油危机，风能日益受到重视。美国 1974年开始实行联邦风能计划：评估国家风能资源 ；研究风能开发中的社会和环境问题；改进风力机的 性能，降低造价；研究为农业和其他用户用的小于 1
8、00kW的风力机；为电力公司及工业用户设计的 MW级风力发电机组。美国于80年代成功开发了100 、200、2000、2500、6200、7200kW的6种风 力机组。美国风力机装机容量超过20000MW。 n2012年中国风电装机容量达到60830MW，居世界 第一，发电量为1004亿千瓦时。 n世界上最大的风力发电机组之一夏威夷岛 ，叶片直径为97.5m，重144t，年发电量 达1000万kWh。 n在瑞典、荷兰、英国、丹麦、德国、日本 、西班牙，也制定了相应的风力发电计划 。德国1980年在易北河口建成了一座风 力电站，装机容量为3000kW。 n n20世纪80年代，我国先后从丹麦、比
9、利时 、瑞典、美国、德国引进一批中、大型风 力发电机组。在新疆、内蒙古的风口及山 东、浙江、福建、广东建立了8座示范性风 力发电场。目前我国已研制出100多种不 同型式、不同容量的风力发电机组，形成 了世界上产量最大的风力发电机产业。 3.4.2 风力发电 n1、风力发电机 图3.13风力发电工作过程 风能功率： W （3.5） n风机输出的功率P1为 n W (3.7) n发电机输出的功率P2为 n W (3.7) n风力发电机中的风力机分为阻力风机和升 力风机两种： n阻力风机是靠与空气流动方向垂直流面S 的空气阻力驱动的； n升力风机是空气流经风机的翼型叶片时， 在来流方向上产生阻力的同
10、时，在来流垂 直方向上会产生升力A 。 图3.14 升力风机和阻力风机的特征示意图 注：为；为风机叶片数目 图3.15 阻力风机和升力风机最大阻力系数和升力系数的比较 图3.16 水平轴风力发电装置结构简图 图3.17 不同材质的风力机叶片示意图 图3.18 不同材质叶片质量与叶轮直径的关系 图3.19水平轴风力机的最大功率系数随功率的变化 图3.20 单位面积叶轮面积标准发电量随额定功率的变化 图3.21风机塔高度随风力发电机组功率的变化 图3.22单位塔高质量（kg/m）随塔架高度的变化 Calculation of Wind Power Power in the wind Power i
11、n the wind Effect of swept area, A Effect of wind speed, V Effect of air density, R Swept Area: A = R2 Area of the circle swept by the rotor (m2). Power in the Wind = Av2 Airfoil Shape Just like the wings of an airplane, wind turbine blades use the airfoil shape to create lift and maximize efficienc
12、y. Lift & Drag Forces nThe Lift Force is perpendicular to the direction of motion. We want to make this force BIG. nThe Drag Force is parallel to the direction of motion. We want to make this force small. = low = medium 0.80) = low speed, high torque A R a Solidity = 3a/A Twist & Taper nSpeed throug
13、h the air of a point on the blade changes with distance from hub nTherefore, tip speed ratio varies as well nTo optimize angle of attack all along blade, it must twist from root to tip Fast Faster Fastest Size of turbines 127 m 85 87 89 91 93 95 97 99 01 03 05 07 .05 . 3 . 5 1.3 1.6 2 4.5 5 6 MW 33
14、m A380 Airbus Largest blade (61.5 m) Largest rotating machines on earth The wind turbine The blades: Made in one piece, only full-span pitch control 2、风力发电的型式 n离网运行 n联网运行 （1）风力发电离网运行 n为蓄电池充电：转子直径3米（40 1000W） n 为边远地区提供可靠电力 n给水加热：用于私人住宅 n边远地区其他用途：商业冷冻、海水淡化 （2）风力发电联网运行 n单个风力发电机：10100kW,负荷与风 机发电能力相当，形成小
15、网，或与电网联 接。 n风田（多个风力发电机）单机功率50 500kW 图3.23直接并入公共电网的风力发电机系统 图3.24 与比变转速风机组合的间接并网发电系统 图3.25异步发电机的软并网 图3.26双馈异步发电机系统 图3.27 独立运行的风电机组供电方式 图3.28发电机组-柴油机发电机组联合运行系统 风力发电机 n风机发电机的种类：水平轴风力涡轮机和 立轴风力涡轮机 n风力发电机的组成：转子、发电机、变速 箱、塔架、功率控制 图3.29 风机的声源过滤与转子直径的关系 3.4.3 风力发电系统的总成本 n风电价格 n风力发电系统的总成本：投资成本、使用 寿命、运行维护、风系特征、系
16、统的效率 3.5风能的价值 n风能的价值取决于应用风能和用其他能源 来完成相同任务所要付出的代价。从经济 效益角度来理解时，这个价值可被定义为 利用风能时所节省下来的燃料费、容量费 和排放费。当从社会效益角度来考虑时， 这个价值相当于所节省的纯社会费用。 当风能加入到某一发电系统中后，其他发电装置则可少发一些电 ，可以节省燃料。节省多少矿物燃料和哪一种矿物燃料，取决于发 电设备的构成和发电装置的性能，特别是发电装置的热耗率。然而 ，风能的引入将会使燃烧矿物性燃料的发电设备在低负荷状态下运 行，从而导致热耗率增加。节省燃料的多少还取决于风 力发电的技 术水平。为了计算燃料消耗的节省情况，必须把发电系统当作是一 个整体来分析。荷兰完成了这种综合分析，分析指出，由于风力发 电能力的增加和更有效
