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1、第四章 风能及其利用,第一节、风能概述,1、风的形成与特征,地球转动，地表的地形差异，以及云层遮挡和太阳辐射角度的差别，使地面受热不均。 不同地区的温差和空气中水蒸汽含量不同，形成不同的气压区。 空气从高气压区域向低气压区域的自然流动，称为大气运动。在气象学上，一般把垂直方向的大气运动称为气流，水平方向的大气运动就是风。,1、 风的形成,按照形成原因，风有信风、海陆风和山谷风等。 （1）信风 赤道附近气温高，热气上升；两极气温低，冷气下降，相互填补空缺 ，冷空气在地面附近从两极流向赤道(高空反之)。 （2）海陆风 海洋热容量大。白天日照下陆地温度比海面高，热空气上升，海面冷空气在地表附近流向陆
2、地，这就是海风。夜间，陆地比海洋冷却得快，形成流向海洋的陆风。 （3）山谷风 白天山坡朝阳面受热较多，空气上升；低凹处受热少，冷空气从山谷流向山坡，形成谷风。夜间，山坡降温幅度大，冷空气则沿山坡向下流动，形成山风。,(a)白昼海陆风,海陆风的形成,(b)夜间陆海风,山谷风,(b)白天“谷风”,(a)夜间“山风”,风况,地形地貌也会影响风的形成 如海边，由于海水热容量大，接受太阳辐射能后，表面升温慢，陆地热容量小，升温比较快。于是在白天，由于陆地空气温度高，空气上升而形成海面吹向陆地的海陆风。反之在夜晚，海水降温低，海面空气温度高，空气上升而形成由陆地吹向海面的陆海风 。,风况,同样在山区，白天
3、太阳使山上空气温度升高，随着热空气上升，山谷冷空气随之向上运动，形成“谷风”。相反到夜间，空气中的热量向高处散发，气体密度增加，空气沿山坡向下移动，又形成所谓“山风” 。,2、 风的特征,（1）风向 就是风吹来的方向。例如，南风。 早在商代，就有对风向的定义和观测 （2）风速 就是单位时间内空气在水平方向上移动的距离。 通常指一段时间内的风速的算术平均值。 （3）风能和风能密度 风中流动的空气所具有的能量，称为风能。 风能密度，就是单位面积上流过的风能。,地面境界层内空气流动受涡流、黏性和地面植物及建筑物等的影响，风向基本不变，但越往高处风速越大。各种不同地面情况下，加城市、乡村和海边平地，其
4、风速随高度的变化如下图所示。,关于风速随高度而变化的经验公式很多：通常采用所谓指数公式，即 m/s 式中v距地面高度为h处的风速，m/s； v1高度为h1处的风速，m/s； n经验指数，它取决于大气稳定度和地面粗糙度，其值约为1/21/80。,对于地面境界层，风速的变化则主要取决于地面粗糙度。不同地面情况的地面粗糙度如所示。此时计算近地面不同高度的风速时仍采用式，只是用代替式中的指数n。,3.风向玫瑰图 风的随机性变化 如果用自动记录仪来记录风速，就会发现风速是不断变化的，一般所说的风速是指变动部位的平均风速。通常自然风是一种平均风速与瞬间激烈变动的紊流相重合的风。紊乱气流所产生的瞬时高峰风速
5、也叫阵风风速。 风玫瑰图 “风玫瑰图”是一个给定地点一段时间内的风向分布图。通过它可以得知当地的主导风向。 最常见的风玫瑰图是一个圆，圆上引出16条放射线，它们代表16个不同的方向，每条直线的长度与这个方向的风的频度成正比。静风的频度放在中间。有些风玫瑰图上还指示出了各风向的风速范围。 季风的风玫瑰图如下图所示。,图4-7风玫瑰图 (a)风向的16个方位；(b)风玫瑰示意图,风力等级,有专家估计，地球上的风能，大约是目前全世界能源总消耗量的100倍，风的能量是由太阳辐射能转化来的，风能大约占太阳提供总能量的百分之一或二，太阳辐射能量中的一部分被地球上的植物转换成生物能，而被转化的风能总量大约是
6、生物能的50100倍。全球的风能约为2.74109 MW，其中可利用的风能为2.0107 MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。,1、 世界风资源,二、 风能资源及其分布,4风能密度,气流所具有的动能为,风能的大小与气流的密度和通过的面积成正比，与气流速度的立方成正比。因此，在风能计算中，最重要的因素是风速，风速取之准确与否对风能的大小起决定性作用，风速大一倍，风能可以大到八倍之多。,风能密度是单位时间内通过单位截面积的风能。即在1s内以速度为V流过单位面积产生的动能称为风能密度。,风能密度公式,W为风能密度（W/m3）；v为气流速度,2、 我国风资源,研究表明，全国平均风能密度约为
7、100W/m2，全国风能总储量约48亿兆瓦,陆上和近海区域10米高度可开发风能资源储量约为10亿kW。其中青海、甘肃、新疆和内蒙可开发的风能储量分别为1143万kW、2421万kW、3433万kW和6178万kW，是中国大陆风能储备最丰富的地区。,2、 我国风资源,风能是一种干净的自然能源，没有常规能源（如煤电，油电）与核电会造成环境污染的问题。平均每装一台单机容量为1 MW的风能发电机，每年可以减排2000吨二氧化碳、10吨二氧化硫、6吨二氧化氮。 据报道，甘肃酒泉1000万千瓦级风电基地于2008年8月全面启动，标志着我国正式步入了打造“风电三峡”工程阶段。据气象部门最新风能评估结果表明，
8、酒泉风能资源总储量为1.5亿千瓦，可开发量4000万千瓦以上，可利用面积近1万平方公里。,我国风力可分部为以下四个区域：,风能区：一年内风速超过3m/s的以上的时间超过半年；6m/s以上的时间超过节2200小时，如内蒙的二连地区，锡盟北部等。 风能较佳区：一年以内风速超过3m/s以上的时间在4000小时；6m/s以上的时间多于是1500小时，如乌盟北部，锡盟，赤峰北部，乌兰浩特等。 风能可用区：一年内风速超过3m/s的时间为3000小时；6m/s以上的时间为3000小时的地区。 以上三类地区占到全国的总面积1/3。 (4) 海上风能丰富区 我国海上风能资源丰富，10m高度可利用的风能资源约是陆
9、上的3倍，即7.5亿kW。,人类利用风能的历史可以追溯到公元前。中国是世界上最早利用风能的国家之一。公元前数世纪中国人民就利用风力提水。 灌溉、磨面、舂米，用风帆推动船舶前进。到了宋代更是中国应 用风车的全盛时代，当时流行的垂直轴风车，一直沿用至今。在国外，公元前2世纪，古波斯人就利用垂直轴风车碾米。 10世纪伊斯兰人用风车提水，11世纪风车在中东已获得广泛的 应用。13世纪风车传至欧洲，14世纪已成为欧洲不可缺少的原 动机。在荷兰风车先用于莱茵河三角洲湖地和低湿地的汲水，以后又用于榨油和锯木。,三、 风能的利用,(1)风力提水 风力提水自古至今一直得到较普遍的应用。至20世纪下半时，为解决农
10、村、牧场的生活、灌溉和牲畜用水以及为了节约能源，风力提水机有了很大的发展。现代风力提水机根据用途可以分为两类。一类是高扬程小流量的风力提水机，它与活塞泵相配提取深井地下水，主要用于草原、牧区，为人畜提供饮水。另一类是低扬程大流量的风力提水机，它与螺旋泵相配，提取河水、湖水或海水，主要用于农田灌溉、水产养殖或制盐。风力提水机在我国用途广阔。,风力泵水,(2)风力发电 利用风力发电已越来越成为风能利用的主要形式，受到世界各国的高度重视，而且发展速度最快。风力发电通常有三种运行方式。一是独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，它用蓄电池蓄能，以保证无风时的用电。二是风力发电与其他
11、发电方式(如柴油机发电)相结合，向一个单位或一个村庄或一个海岛供电。三是风力发电并入常规电网运行，向大电网提供电力；常常是一处风场安装几十台甚至几百台风力发电机，这是风力发电的主要发展方向。,风力发电,海上风力发电,(3)风帆助航 在机动船舶发展的今天，为节约燃油和提高航速，古老的风帆助航也得到了发展。航运大国日本已在万吨级货船上采用电脑控制的风帆助航，节油率达15。,(4)风力致热 随着人民生活水平的提高，家庭用能中热能的需要越来越大，特别是在高纬度的欧洲、北美取暖，煮水是耗能大户。为解决家庭及低品位工业热能的需要，风力致热有了较大的发展。“风力致热”是将风能转换成热能。目前有三种转换方法。
12、一是风力机发电，再将电能通过电阻丝发热，但风能转换成电能的效率却很低、因此从能量利用的角度看，这种方法是不可取的。二是由风力机将风能转换成空气压缩能，再转换成热能，即由风力机带动一离心压缩机，对空气进行绝热压缩而放出热能。三是将风力机直接转换成热能。显然第三种方法致热效率最高。,风力机直接转换热能也有多种方法。最简单的是搅拌液体致热即风力机带动搅拌器转动，从而使液体(水或油)变热。“液体挤压致热”是用风力机带动液压泵，使液体加压后再从狭小的阻尼小孔中高速喷出而使工作液体加热。此外还有团体摩擦致热和涡电流致热等方法。,风力热水装置示意图,第二节、风力发电,一、风力发电发展简史 起源：世界上第1台
13、用于发电的风力机于1891年在丹麦建成 。 发展：风电技术经过开发日臻成熟，商业化机组的单机容量从55 kW增加到1 650 kW，风电成本从20美分/（kWh），持续下降到5美分/（kWh），运行可靠性和发电成本接近常规火电，迅速发展成为初具规模的新兴产业。 目前风力机之最为美国CE公司的“超级风力机”，单机功率为7.3MW，风车直径为112m.,风力发电原理 风力发电的原理是利用风力带动风力机叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。,二、风力发电的原理及系统组成,2风力发电系统组成,典型的风力发电系统是由风能资源、控制装置、蓄能装置、备用电源及电能用户组成。其中风力发电机
14、组是实现由风能到电能转换的关键设备，风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成，每一部分都很重要，叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；,-风力机,风力机又称风车，是一种将风能转换成机械能的能量转换装置。 风力机的类型很多，通常将其分为水平轴风力机，垂直轴风力机和特殊风力机三大类。但应用最广的还是前两种类型的风力机。 各种类型的风力机，都至少包括叶片（有些称为桨叶）、轮毂、转轴、支架（有些称为塔架）等部分。其中由叶片和轮毂等构成的旋转部分又称为风轮。,小型风力发电机组一般由下列几部分组成：风轮、发电机、调
15、速和调向机构、停车机构、塔架及拉索等，控制器、蓄电池、逆变器等。,风轮：小型风力机的风轮大多用23个叶片组成，它是把风能转化为机械能的部件。 调向机构、调速机构和停车机构：为了从风中获取能量，风轮旋转面应垂直于风向，在小型风机中，这一功能靠风力机的尾翼作为调向机构来实现。 控制器:风力机控制器的功能是控制和显示风力机对蓄电池的充电，以保证蓄电池不至于过充和过放，以保证蓄电池的正常使用和整个系统的可靠工作。 逆变器:逆变器是把直流电变成交流电的装置,风力涡轮机最普遍的形状像螺旋桨一样有23片叶片,三、风力发电运行方式,风力发电的运行方式可分为独立运行、并网运行、风力发电场、风力-柴油发电组成系统
16、及电力-其他再生能源联合发电系统等。,1、独立运行方式 独立运行的风力发电机组，又称离网型风力发电机组，是把风力发电机组输出的电能经蓄电池蓄能，再供应用户使用，如需要交流电，则要加逆变器。适用35kW以下的风力发电机。 风力发电系统采用的储能系统主要是蓄电池储能。,2、并网运行方式,作用：采用风力发电机与电网连接，由电网输送电能的方式，是克服风的随机性而带来的蓄能问题的最稳妥易行的运行方式，同时可达到节约矿物燃料的目的。 应用：10kw以上直至Mw级的风力发电机组皆可采用这种方式。,3、与其他发电形式的联合运行,常用的方式主要有： 1） 风力柴油发电联合运行,由风力发电机组、柴油发电机组、蓄能装置、控制系统、用户负荷耗能负荷等组成。各发电、供电系统既能单独工作，又能联合工作，互相不冲突。采用风力-柴油发电系统可以实现稳定持续供电。这种系统有两种不同的运行方式：1）风力发电机与柴油发电机交替运行；2）风力发电机与柴油发电机并联运行。,2） 风力大阳能电地发电联合运行 风力一光伏联合系统有两种不同的运行方式： （1）切换运行，即有风时
