风力发电原理第二章【华北电力大学课件】

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1、P64-1,风力发电原理 张 磊 热能工程教研室 本文档由知识社：提供,P64-2,风的形成及特性 风的能量与测量 风力资源及风能利用,第二章 风与风能,P64-3,形成原因：太阳辐射造成地球表面的大气受热不均，温度差异造成大气层的压力分布不均。在压力差的作用下，空气流沿水平方向由高压区向低压区流动，形成了风。 风能：风所具有的动能为风能。 风能是太阳能的一种转化形式。,2-1 风的形成及特性,一、风的形成,P64-4,二、气压与风的关系,弯曲的线是等压线。闭合的等压线如果其气压值高于周围，则称为高气压区，相反称为低气压区。如同山峰的山脊和山谷，从高气压伸展出来的部分称为高压脊，从低气压伸展出

2、来的部分称为低压槽。,P64-5,气压梯度：等压线的疏密程度表示了单位距离内气压差的大小。等压线越密集，气压梯度越大。 气压梯度力：由于气压梯度而产生的旁压力。 气压梯度力把两地间的空气从气压高的区域推向气压低的区域，空气流动从而形成了风。 气压梯度力越大，空气流动速度越快，风速越大。,地转偏向力：地球自转而使空气水平运动发生偏向的力。 随风速增大而增大，且与风向始终垂直。,P64-6,左、右手法则进行判别偏转方向。 北半球：右手法则 南半球：左手法则。 气压和风的相互关系： 风速与气压梯度成正比，风向与等压线成平行。 在地转偏向力的作用下，风向不断发生偏转。到风向被偏转到与气压梯度力角度为9

3、0，此时气压梯度力对风的分作用力为0。气压梯度力与地转偏向力正好相反，大小相等，达到平衡。在平衡状态下，风向与气压等压线保持平行。,P64-7,（1）随机性 速度大小和方向随时间不断变化，能量和功率随之发生改变。可能是短时间波动，或昼夜变化，或季节变化。 （2）风速随高度的增加而变化 地面上风速较低的原因是由于地表植物、建筑物以及其他障碍物的磨擦所造成的。 风速沿高度的相对增加量因地而异，可表示为：,我国n取0.160.20,三、风的特性,P64-8,P64-9,（3）风速受障碍物和地形影响较大,障碍物对风速的影响 当穿越粗糙表面，像建筑物、树木、岩石等类似障碍物时，风速和风向迅速地发生改变。

4、在障碍物的附近，特别是后缘会产生很强的湍流，该湍流在下风方向远处逐渐减弱。图为由障碍物造成的风湍流及其风速变化轮廓线。气流湍流不仅会减小风力机的有效功率，而且会增加风力机的疲劳载荷。 湍流强度和延伸长度与障碍物的高度有关。在障碍物的迎风侧，湍流区长度可高达障碍物的2倍，背风侧湍流延伸长度可达障碍物高度的1020倍。而且障碍物高宽比越小，湍流衰减越快；高宽比越大，湍流区越大。在高宽比无限大的极端条件下，湍流区长度可以达到障碍物高度的35倍。,P64-10,在垂直方向，湍流影响范围的最大高度达障碍物高度的2倍。当风力机叶片扫风最低点所处的高度是3倍障碍物高度时，则障碍物对风力机的影响可以忽略。但若

5、风力机前有较多障碍物时，由于风力机前的平均风速因障碍物而发生改变，则此时必须考虑障碍物的影响。因此，在风电场选址时应考虑到附近区域的障碍物，塔的高度必须足够高以便克服湍流区的影响。 山脉对风的影响,山脊、丘陵和悬崖的形态极大地影响着风廓线。光滑的山脊会加速穿越的气流，这是因风通过山脊时受阻压缩而引起的。山脊的形状决定了加速的程度，表面裸露时，对风速影响更加明显。若山脊的斜率为616，则加速明显，可充分利用这种效应来发电；但若斜率超过27或低于3，则加速不明显，不利于风力发电。对于长而地表沿坡度平缓的山脊，其顶部及迎风面的上半部一般都是最好的风场；而在其背风面，因可能存在湍流而不设置风力机。,P

6、64-11,另一重要因素是山脊的走向。若盛行风的方向与脊线垂直，则加速效应更明显。若山脊脊线与盛行风平行，则对风速无加速效应。 同样，在山的缺口、走向与风平行的山峡的气流通道收敛的部位，风速会提高，这个部位也被俗称为“风口”。当风穿越山区障碍物之间的间隙时，由于喷管效应，速度会增强。间隙的几何参数，如宽度、长度、坡度等是决定加速程度的主要因素。若两座高山之间的间隙面向风向，则是一个极佳的风电厂址。倘若两高山，表面越光滑，粗糙度越小，则对风的加速效果更好。,P64-12,（4）季节性变化特点明显，日夜变化也有规律,海陆风 海风:白昼时，海洋吸收了大部分的太阳辐射，导致大陆表面空气的升温速度较快，

7、大陆表面的气流膨胀上升至高空，然后流向海洋，到海洋上空因受冷却而下沉。大陆表面因气流上升而形成了低压区，近地层海洋因上空气流下降而产生高压区，在压力梯度下，为补偿陆地附近的低气压，使得海平面上的空气向陆地流动。 陆风:夜间，风形成的过程恰好相反，海洋吸收阳光而蕴藏了大量的热量，使海洋上的气流降温较慢，地面空气温度下降较快，从而使地表的空气从陆地流向海面。,P64-13,海陆风是由海陆热力差异引起的，其影响范围仅局限于沿海，风向变换以一天为周期。 中纬度地区: 海风可以从海岸线深入陆地50km。 低纬度地区: 海风风速可达48m/s，陆风一般只有13m/s。,P64-14,季风 季风是由海陆分布

8、、大气环流、大陆地形等因素造成的。随着季节的不同，陆地和海洋的太阳辐射产生了海洋与陆地之间的温度差异。 夏季，大陆增热比海洋剧烈，海上形成高压，大陆形成低压，空气从海上流向大陆，而高空形成了与底层气流方向相反的气流，构成了夏季季风环流。 冬季，大陆比海洋温度低，大陆的气压比海洋的高。底层气流由大陆吹向海洋，高层气流由海洋流向大陆，形成了冬季季风环流。 世界上季风区分布甚广，其中最著名的是东南亚季风区。在夏季，从印度洋和西南太平洋来的暖、湿空气向北和西北方向移动进入亚洲大陆，进入印度、中南半岛和中国。这种气流形成夏季季风。在冬季，亚洲大陆为一强盛高压中心所控制，气流自高压中心向外流动，其方向与夏

9、季季风正相反。这是向南和东南吹向赤道海洋的冬季季风。 东亚季风对我国、朝鲜、日本等地区的天气和气候影响很大。这些地区的气候特征，在冬季表现为低温、干旱和少雨；夏季是高温、湿润和多雨。,P64-15,山谷风 在山区，白天风从山谷吹向山坡，这种风叫“谷风”；到夜间，风从山坡吹向山谷，这种风称“山风”。山风和谷风统称为山谷风，其形成原理与海陆风相似。,P64-16,白天山坡受热较快，温度高于山谷中同高度的空气温度，坡地表面的空气受热后沿倾斜方向上升，谷底则被冷空气填补，从而形成谷风。夜间，山坡因辐射冷却，降温速度比山谷中同高度的空气快，因此气流从山坡吹向谷底，从而形成了山风。通常这种现象会生成很强的

10、气流，进而形成强风。 谷风的平均速度为24m/s，有时可达710m/s。谷风通过山隘时风速加大。山风比谷风小一些，但在峡谷中风力加强，有时会损坏谷底的农作物。谷风所达厚度一般为谷底以上5001000m，这一厚度还随气层不稳定程度的增加而增大。,P64-17,焚风 定义：当气流跨越山脊时，背风面产生一种热而干燥的风。 条件：山岭两面气压不同的条件下发生。 分析：在山岭的一侧是高气压，另一侧是低气压时，空气会从高气压区向低气压区流动。但因受山阻碍，空气被迫上升，气压降低，空气膨胀，温度也随之降低。空气每上升100m，气温则下降0.6。当空气上升到一定高度时，水汽遇冷凝结，形成雨水。空气到达山脊附近

11、后，则变得稀薄干燥，然后翻过山脊，顺坡而下，空气在下降的过程中变得紧密且温度增高。空气每下降100m，气温则会上升1。因此，空气沿着高大的山岭沉降到山麓的时候，气温常会有大幅度地提升。迎风和背风两面的空气即使高度相同，背风面空气的温度也总是比迎风面的高。每当背风山坡刮炎热干燥的焚风时，迎风山坡却常常下雨或落雪。 危害：会造成果木和农作物的干枯，形成森林大火。当然也可以加速冬季积雪融化，利于早点使草木生长。,P64-18,P64-19,定义：空气运动产生的动能称为“风能”。,单位时间内垂直流过截面A的空气拥有的做功能力，称为风能功率(W),2-2 风的能量与测量,一、风能,风能功率与风速的立方成

12、正比，与流动空气密度和垂直流过的投影面积成正比。,P64-20,风能密度是估计风能潜力大小的一个重要指标。 定义：单位时间内通过单位截面积的风能。 值的大小随气压、气温和湿度等大气条件的变化而变化。在海拔高度500m以下，取1.225kg/m3，若海拔超过500m，必须考虑空气密度的变化。,二、风能密度,一般风速是用平均值表示的，平均风能密度可采用直接计算和概率计算两种方法求得，各气象台站都有详细的数据记录资料。,P64-21,平均风能密度：一定时间周期（如一年或一月）内风能密度的平均值。,可直接利用观测资料计算平均风能密度。根据平均风能密度计算公式，先计算每个小时的风能密度，然后再求和，并按

13、全年小时数平均，就可得到年平均风能密度。,P64-22,实际上，风能不可能全部转换成机械能，风力机不能获得全部理论上的能量。 当风速由0逐渐增加达到某一风速Vm（切入风速）时，风力机才开始提供功率。该风速下，风轮轴上的功率等于整机空载时自身消耗的功率，风力机还不能对用户输出功。 风速继续增加，达到某一确定值VN(额定风速)，在该风速下风力机提供额定功率或正常功率。超过该值时，利用调节系统，输出功率将保持常数。 如果风速继续再增加到某一值VM(切断风速)时，出于安全考虑，风力机应停止运转，风力机不输出功率 。,三、有效风能密度,P64-23,世界各国根据各自的风能资源情况和风力机的运行经验，制定

14、了不同的有效风速范围及不同的风力机切入风速、额定风速和切断风速。中国有效风能密度所对应的风速范围是3-25m/s。 实际可利用的风能为图中阴影部分的面积，其计算方法与平均风能密度的计算方法相同。,P64-24,风速就是空气在单位时间内移动的距离，国际上的单位是米/秒(m / s)或千米/小时(km/h)。我国现行的风速观测有定时4次2min平均风速和1日24次自动记录10min平均风速两种。 人们习惯用风级来表示风的强弱 。 我国是用风级表示风大小的最早国家之一，远在唐代，科学家李淳风就在他的著作中提出过9级风的划分标准，且非常直观形象，如“动叶、鸣条、摇枝等”。 1805年，英国人总结提出了

15、更精确的风级划分标准，从0级到12级，共分13个等级。随后，又补充了每级风的相应风速数据，使人们从直接景观现象发展到依靠精确的风速数据，这一标准后来逐渐被国际公认，称为“蒲氏风级”。,四、风速与风级,P64-25,零级无风炊烟上，一级软风烟稍斜， 二级轻风树叶响，三级微风树枝晃， 四级和风灰尘起，五级清风水起波， 六级强风大树摇，七级疾风步难行， 八级大风树枝折，九级烈风烟囱毁， 十级狂风树根拔，十一级暴风很罕见， 十二级飓风浪涛天。,P64-26,P64-27,风是具有大小和方向的矢量，通常把风吹来的地平方向定为风的方向，即风向。 空气由东向西流动叫东风，由南向北流动叫南风，以此类推。 气象

16、台预报风时，当风向在某个方向左右摆动不能确定时，则加以“偏”字，如在北风方位左右摆动，则叫偏北风。 静风记“C” 。,五、风向与风频,风向测量单位，陆地一般用16个方位表示，海上则多用36个方位表示。 风向是风电场选址的一个重要因素。若欲从某一特定方向获得所需的风能，则必须避免此气流方向上有任意的障碍物。,P64-28,早期的风速仪中的风向标是用来确定风向的。现在大多数的风速仪可同时记录风向和风速。 风向仪装置，由尾翼、指向杆、平衡锤及旋转主轴4部分组成的首尾不对称平衡装置。风向风速仪可以测定风向，一般安装在离地面10m高度的测风塔上，如果附近有障碍物，则至少要高出障碍物6m高度。,P64-29,风频？,风频是指风向的频率，即在一定时间内 某风向出现的次数占各风向出现总次数 的百分比。 某风向频率= 某风向出现的次数风向的总观测次数100 风频玫瑰图：计算出各风向的频率数值后，用极坐标的方式将这些数值标在风向方位图上，把各点联线后形成一幅代表这一段时间内