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1、风能开发利用环境与能源工程学院 孙晗内容n技术、制度与世界风能的发展n风力发电原理和技术n中国风力发电发展技术、制度与世界风能发展n1.1 人类开发利用风能的历史风帆助航、风力发电、风车提水n我国利用风能的历史n3000年前的商代：开始出现帆船n唐代：“乘风破浪会有时，直挂云帆济沧海”n明代：郑和下西洋n明代后：宋应星天工开物有：“扬郡以风 帆数扇，俟风转车，风息则止”n方以智著的物理小识有：“用风帆六幅， 车水灌田，淮阳海皆为之”n中国沿海沿江地区的风帆船和用风力提水灌 溉或制盐的做法，一直延续到20世纪50年代n欧洲利用风能的历史n12世纪风车从中东传入欧 洲。n16世纪，荷兰人利用风车
2、排水、与海争地，在低洼 的海滩上建国立业。n在蒸汽机出现之前，风力 机械是动力机械的一大支 柱，但因竞争不过蒸汽机 、内燃机等而被淘汰。n19 世纪丹麦人首先研制了 风力发电机。n1891年，丹麦建成世界第 一座风力发电站。n20世纪70年代后，风力发 电蓬勃发展。n21世纪中叶，风能成为世 界能源供应的支柱之一。n1.2 开发利用风能的动因n经济驱动力n环境驱动力n社会驱动力n技术驱动力n经济驱动力n经济最优化 例：在内蒙古农牧区n小型离网风力发电：2元/kW.hn电网延伸：8元/kW.hn利用汽油/柴油发电机供电：6元/kW.hn化石能源枯竭与供应安全n石油资源在四五十年后面临枯竭n风能是
3、新能源中最具工业开发潜力的可再生能源n促进能源产业升级n风力发电技术属新兴技术，风电产业属朝阳产业。n风电技术研发 示范 进入市场 国民经济的新 增长点n环境驱动力nCO2排放、全球气候变暖、1997年京都议定 书n烟尘、SO2、NOx、CO等n社会驱动力n风能份额增加时，会创造很多直接和间接的 就业机会。n生产n装机n设备维护n在一些国家，风能的利用成为热点问题，得 到公众的支持。n技术驱动力n空气动力学理论不断发展n新型高强度、轻质材料的出现n计算机模拟、设计技术的广泛应用n自控技术的提高n机械、电气、电子元件制造技术的成熟 风电技术向大功率、高效率、高可靠性和高 度自动化方向发展1.3
4、世界风能开发现状 与展望2005-2020年世界风电需求的预测1.4 世界鼓励风能开发利用的政策措施n研发鼓励政策n投资鼓励政策n生产鼓励政策n消费鼓励政策1.5 中国风能发展需要制度创新n中国风力资源丰富，但风电发展落后n原因：缺乏透明、完整、可持续、有效力 的风能政策和法律制度n国家发改委制定的可再生能源中长期发 展规划指出：到2020年中国风电装机容 量将达到2000万瓦，要实现这一目标需要 制度创新风力发电原理和技术n风与风能的形成n风能的基本特征n风力发电原理n风力发电机安装场址的选择n风力发电系统的种类n风力技术的发展趋势2.1 风与风能的形成成因：太阳的辐射造成地球表面受热不均
5、，引起大气层中压力分布不均，空气沿水 平方向运动，形成风。n高低纬度的温度差异n地球自转引起的地转偏向力n海洋、地形的影响空气流动空气流动 动能动能 可再生能源可再生能源2.2 风能的基本特征 风能资源用风速、风级、风能密度等指标 衡量。 2.2.1风速定义：单位时间内空气在水平方向所移动的 距离。 可用风速仪测量，单位为m/s. 有效风速：3-20m/sn2.2.2 风级风级是根据风对地面或海面物体影响而引 起的各种现象，按风力的强度等级来估计 风力的大小。 n风级的表现风 级名称相应风 速 (m/s)表现0无风0-0.2零级无风炊烟上 1软风0.3-1.5一级软风 烟稍斜 2轻风1.6-3
6、.5二级轻风树 叶响 3微风3.4-5.4三级微风树 枝晃 4和风5.5-7.9四级和风灰尘起 5清劲风8-10.7五级清风水起波 6强风10.8-13.8六级强风大树摇 7疾风13.9-17.1七级疾风步难行 8大风17.2-20.7八级大风树 枝折 9烈风20.8-24.4九级烈风烟囱毁 10狂风24.5-28.4十级狂风树 枝拔 11暴风28.5-32.6十一级暴风陆 罕见 12飓风32.6十二级飓风 浪滔天2.2.3 风能密度通过截面积的风所含的能量，常以W/m2 表示。n风能密度与空气密度有直接关系n一般，海边地势地，气压高，空气密度大 ，风能密度就高。高山气压低，空气稀薄 ，风能密
7、度就小些。n如果高山风速大、气温低仍有相当大的风 能潜力。2.2.4 风能的计算风能密度的计算公式： 风能=0.53A 风能密度W=（Nii3）/（2N） 式中W平均风能密度，W/m2 i等级风速，m/s Ni等级风速i出现的次数 N各等级风速出现的总次数 空气密度，kg/m3n全国风能储量估算n指离地10m高度层上的风能资源量n在地图上画10W/m2, 25W/m2, 50W/m2, 100W/m2, 200 W/m2的风能密度等值线，根据 风能密度和面积估算风能资源储量n中国陆地上10m高度层上可开发的风能储量为 2.52亿千瓦2.3 风力发电的原理 风力发电机的组成n风轮（空气的动 能
8、风轮旋转的 机械能）空气动 力学的升力、阻 力n发电机（包括传 动装置）n调向器（尾翼）n塔架n限速安全机构n储能装置2.4 风力发电机安装场址的选择n风能资源丰富我国安装风力发电机的资源条件：某地域的 年有效风速时数在2000-4000h、年6-20m/s风 速时数在500-1500h。n具有较稳定的盛行风量n湍流小n自然灾害小2.5 风力发电系统的种类n并网的风电系统n涡轮风机产生电力 进入交流变频系统 转换为交 流电网频率的交流电 进入电网n由于风电的输出功率不稳定 风电场装机容量占所接入电网的比例不宜超5%-10%， 且电网需配备一定 的备用负荷n独立的风电系统 向用电负荷供电 风力发
9、电 逆变器 直流电 蓄电池 n混合型风电系统n风力发电+柴油机发电n风力+（水电解制氢+氢能发电）2.7 风电技术的发展趋势n单机容量增大n风电机桨叶的变化n桨叶长度增长，最长的叶片达50mn桨叶叶形的优化设计n桨叶的材料由玻璃纤维增强树脂 强度高质 量轻的碳纤维 向柔性发展n塔架高度上升n控制技术的发展n海上风力发电我国风力发电的发展 3.1 中国的风能资源大气环流的影 响海陆和水体的 影响地形对风能分 布的影响山脉海拔中小地形n我国风能资源区划n风能丰富区n东南沿海、山东半岛、辽东半岛n三北地区n松花江下游区n风能较丰富区n东南沿海内陆和渤海沿海区n三北的南部区n青藏高原n风能可利用区n两
10、广沿海区n大小兴安岭地区n中部地区n风能贫乏区n川云贵和南岭山地区n雅鲁藏布江和昌都区n塔里木盆地西部区3.2 离网户用小型风力发电n行业发展历程n老式风车应用阶段（1949-1959）：提取海水制盐和农 田灌溉n现代风力机械起步阶段（1960-1977）：八机部研制小 型风力发电机组和风力提水机组，受到牧民欢迎n科研攻关和示范应用阶段 （1978-1983）：国防科工 委、航空部602所、中国农机院等投入大笔资金研制 风力发电机组和风力提水机组。开始批量生产和推广 应用n技术成熟和使用推广阶段（1984-1990）n调整、巩固阶段（1990-1997）n稳定发展阶段（1998以后）n潜在市场
11、及发展趋势n西部大开发、提高边远地区农牧民生活水平 ，需要小风电n1985年前生产的小型风力发电机组需要更新 换代n边远地区、海岛的部队驻军、边防哨所、微 波站、气象台站、沿海和内陆湖泊养殖业没 有常规电源的地方n中国出口小型风电机的数量在逐年增加n国家“光明工程”、“全球环境基金世 界银行中国可再生能源商业化促进项目”n农业部、财政部设立的“农村小型公益设施建 设补助资金农村能源项目”3.3 并网风力发电n行业发展历程n第一阶段：1986-1990探索和示范阶段。项目 规模小、单机容量小。共建了4个风电厂，最 大单机容量200kw.n第二阶段：1991-1995示范项目取得成效并逐 步推广。
12、共建了5个风电厂，最大单机容量 500kw.n第三阶段：1996后，扩大建设规模阶段。最 大单机容量1300kw. 到2002年底，全国共有32 个风电场。序 号风电场 名称总容量/kw1新疆达坂城风电 二场75000 2新疆达坂城风电 一场12100 3新疆布尔津风电场1050 4内蒙古商都风电场3875 5内蒙古朱日和风电场7500 6内蒙古锡林浩特风电场2980 7内蒙古辉腾锡 勒风电 场361008内蒙古克什克腾风电场20160 9广东南澳风电场56880 10广东惠来风电场13200 11广东汕尾风电场9900 12辽宁东岗风电场22505 13辽宁横山风电场7400 14辽宁营口风电场21460 15辽宁锦州风电场3750 16辽宁丹东风电场21000序号风电场 名称总容量/kw17辽宁小长山风电场3600 18辽宁獐子山风电场3000 19辽宁法库风电场9600 20吉林通榆风电场30060 21福建平潭风电场7000 22福建东山风电场6000 23浙江括苍山风电场19800 24浙江鹤顶 山风电场13905 25浙江泗礁风电场300 26海南东方风电场8755 27山东荣成风电场165 28山东长岛风电场5510 29河北省张北风电场9850 30河北省承德风电场3600 31甘肃玉门风电场8400 合计444 405
