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1、新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术第第3 3讲讲 风能与风力发电风能与风力发电新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电第第3 3风力发电风力发电 讲讲关注的问题关注的问题风是最常见的自然现象之一。风是怎样形成的？风是最常见的自然现象之一。风是怎样形成的？人类何时开始懂得对风能的利用？又是如何利用的？人类何时开始懂得对风能的利用？又是如何利用的？风力发电的原理是怎样的？风力发电的设备什么样？风力发电的原理是怎样的？风力发电的设备什么样？风力发电能达到什么样的规模？发展状况如何？风力发电能达到什么样的规模？发展状况如何？教学目标教学目标了解风资源情况和风能利用的发展
2、历史，了解风资源情况和风能利用的发展历史，掌握风力发电的基本原理和主要设备，掌握风力发电的基本原理和主要设备，理解风力发电的重要意义和发展前景。理解风力发电的重要意义和发展前景。新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.1 风能利用的历史风能利用的历史人类利用风能的历史，至少可以追溯到人类利用风能的历史，至少可以追溯到50005000多年多年以前。以前。埃及埃及可能是可能是最先利用风能最先利用风能的国家。的国家。趣闻：风能与金字塔趣闻：风能与金字塔（见教材见教材）2000多年多年以前，人类开始利用风的力量进行生产，例如靠以前，人类开始利用风的力量进行生产，例如靠风力带动
3、简易装置来碾米磨面、引水灌溉。风力带动简易装置来碾米磨面、引水灌溉。公元前几百年公元前几百年，亚洲的，亚洲的巴比伦人巴比伦人、波斯人波斯人也开始利用风能。也开始利用风能。公元公元10世纪世纪，伊斯兰人伊斯兰人开始用风车提水。到开始用风车提水。到11世纪，风车世纪，风车在中东地区已经获得广泛的应用。在中东地区已经获得广泛的应用。新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.1 风能利用的历史风能利用的历史12世纪世纪，风车的概念和设计，风车的概念和设计从中东传入欧洲从中东传入欧洲。荷兰人发明了水平转轴荷兰人发明了水平转轴的塔形风车，并且很快风靡北欧。的塔形风车，并且很快风靡北
4、欧。唐吉诃德大战风车的故事听说过吧？唐吉诃德大战风车的故事听说过吧？（教材引例故事教材引例故事）除了磨面、榨油、造纸、锯木等生产作业之外，除了磨面、榨油、造纸、锯木等生产作业之外，在比利时等在比利时等地势较低国家还用风车来排水地势较低国家还用风车来排水。新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.1 风能利用的历史风能利用的历史至少在至少在3000年以前年以前，我国就出现了帆船我国就出现了帆船。中国最辉煌的风帆时代是明代，中国最辉煌的风帆时代是明代，郑和下西洋郑和下西洋，庞大的风帆，庞大的风帆船（船（见教材见教材）在那几次举世闻名的航行中功不可没。郑和）在那几次举世闻名的
5、航行中功不可没。郑和的的“准环球准环球”旅行，比西方的哥伦布和麦哲伦早了好几百旅行，比西方的哥伦布和麦哲伦早了好几百年。年。新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.1 风能利用的历史风能利用的历史公元前数世纪我国人民就开始利用风力提水、灌溉、磨面、公元前数世纪我国人民就开始利用风力提水、灌溉、磨面、舂米等。舂米等。1300多年前宋代多年前宋代的一种垂直轴的一种垂直轴“走马灯式走马灯式” ，一直沿用到，一直沿用到新中国成立（新中国成立（见教材见教材）。）。中国沿海沿江地区的中国沿海沿江地区的风力提水灌溉或制盐风力提水灌溉或制盐的做法，曾经非的做法，曾经非常盛行，仅在江苏
6、沿海利用风力的设备就曾多达常盛行，仅在江苏沿海利用风力的设备就曾多达。我国使用最广泛的是我国使用最广泛的是“斜杆式斜杆式”风车风车，直到今天，沿海地，直到今天，沿海地区农田和盐场中区农田和盐场中仍有上千台仍有上千台之多。之多。新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.2 风和风资源风和风资源3.2.1 风的形成风的形成地球转动，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。差别，使地面受热不均。不同地区的不同地区的温差温差和空气中和空气中水蒸汽含量水蒸汽含量不同，形成不同的气压区。不同，形成不同的
7、气压区。空气从高气压区域向低气压区域的自然流动，称为空气从高气压区域向低气压区域的自然流动，称为大气运动大气运动。在气象学上，一般把在气象学上，一般把垂直方向的大气运动称为垂直方向的大气运动称为气流气流，水平方向，水平方向的大气运动就是的大气运动就是风风。 新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.2.1 风的形成风的形成按照形成原因，风有信风、海陆风和山谷风等。按照形成原因，风有信风、海陆风和山谷风等。 （1）信风信风 赤道附近气温高，热气上升；两极气温低，冷气下赤道附近气温高，热气上升；两极气温低，冷气下降，相互填补空缺降，相互填补空缺 ，冷空气在地面附近从两极流向
8、赤道，冷空气在地面附近从两极流向赤道(高空高空反之反之)。地球自西向东转，北半球东北风，南半球东南风。地球自西向东转，北半球东北风，南半球东南风。（2）海陆风海陆风 海洋热容量大。白天日照下陆地温度比海面高，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地，这就是海风。热空气上升，海面冷空气在地表附近流向陆地，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。夜间，陆地比海洋冷却得快，形成流向海洋的陆风。（3）山谷风山谷风 白天山坡朝阳面受热较多，空气上升；低凹处受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
9、坡降温幅热少，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。度大，冷空气则沿山坡向下流动，形成山风。新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.2.1 风的形成风的形成一般，在晴朗而且昼夜温差较大的沿海地区，一般，在晴朗而且昼夜温差较大的沿海地区，白天吹来海风白天吹来海风，夜晚夜晚则有则有陆风吹向海上陆风吹向海上。在山区，在山区，白天谷风从谷底向山上吹白天谷风从谷底向山上吹，晚上山风从山上向山下吹晚上山风从山上向山下吹。大陆与海洋的热容量差别，还会形成季节性的气压变化。以中大陆与海洋的热容量差别，还会形成季节性的气压变化。以中国的
10、国的华北地区华北地区为例，冬季内陆气温低，多形成高气压区，空气为例，冬季内陆气温低，多形成高气压区，空气流向东南方向的海洋低气压区，所以在流向东南方向的海洋低气压区，所以在冬季多刮西北风冬季多刮西北风。而。而夏夏季正好相反季正好相反，我国大部分地区常刮东南风。，我国大部分地区常刮东南风。 。新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.2.2 风的描述风的描述（1）风向风向 就是风吹来的方向。例如，南风。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，早在商代，就有对风向的定义和观测，见教材见教材（2）风速风速 就是单位时间内空气在水平方向上移动的距离。就
11、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。通常指一段时间内的风速的算术平均值。（3）风能和风能密度风能和风能密度风中流动的空气所具有的能量，称为风能。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。风能密度，就是单位面积上流过的风能。新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.2.3 世界风资源世界风资源有专家估计，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的100倍倍，相当于，相当于万亿吨煤万亿吨煤蕴藏的能量。蕴藏的能量。据据世界气象组织世界气象组织估计，
12、全球大气中蕴藏的总的风能功率约为估计，全球大气中蕴藏的总的风能功率约为1014 MW，其中可被开发利用的风能约有，其中可被开发利用的风能约有MW。全球的风能折算为电能，相当于全球的风能折算为电能，相当于2.74万亿度万亿度，其中可利用的相，其中可利用的相当于当于亿度电亿度电。地球地球1.07亿平方公里的陆地表面，亿平方公里的陆地表面，平均风速高于平均风速高于5m/s（距地面（距地面10m高处）的高处）的面积约占面积约占27%。 据分析，其中只有据分析，其中只有4左右左右的面积有的面积有可能安装风力发电机可能安装风力发电机。以。以目前的技术水平，目前的技术水平，每平方公里的风能发电量为每平方公里
13、的风能发电量为330千瓦千瓦左右，左右，平均平均每年发电量每年发电量的合理估计为的合理估计为万度万度左右。左右。新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.2.4 我国风资源我国风资源研究表明，全国研究表明，全国平均风能密度约为平均风能密度约为100W/m2，全国风能总储量，全国风能总储量约约48亿兆瓦，亿兆瓦，陆上和近海区域陆上和近海区域10米高度米高度可开发风能资源储量约为可开发风能资源储量约为10亿千瓦亿千瓦，其中其中有很好开发利用价值的陆上风资源大约有有很好开发利用价值的陆上风资源大约有千瓦千瓦。新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.2
14、.4 我国风资源我国风资源中国气象局风能太阳能资源评估中心，公布了中国气象局风能太阳能资源评估中心，公布了全国全国平均风速分布平均风速分布和和有效风功率密度分布有效风功率密度分布情况，参见教材图情况，参见教材图3.4和图和图3.5。新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.3 风力机的种类风力机的种类各种类型的风力机，都至少包括叶片（有些称为桨叶）、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和轮毂等构成的旋转部分又称为风轮风轮。按转轴与
15、风向的关系，风力机大体上可分为两类：按转轴与风向的关系，风力机大体上可分为两类：水平轴风力机水平轴风力机（风轮的（风轮的旋转轴与风向平行旋转轴与风向平行）；）；垂直轴风力机垂直轴风力机（风轮的（风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向旋转轴垂直于地面或气流方向）。）。 新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.3.1 水平轴风力机水平轴风力机(1)荷兰式风力机荷兰式风力机12世纪初世纪初荷兰人荷兰人发明，曾在欧洲发明，曾在欧洲(荷、比、西等国荷、比、西等国)广泛使用。广泛使用。这可能是出现这可能是出现最早的水平轴风力机最早的水平轴风力机。荷兰风车有两种形式，详见教材。荷兰风车有
16、两种形式，详见教材。新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.3.1 水平轴风力机水平轴风力机(2)螺旋桨式风力机螺旋桨式风力机螺旋桨式水平轴风力机目前螺旋桨式水平轴风力机目前技术最成熟技术最成熟、生产量最多生产量最多。其翼型与飞机的翼型类似，一般多为双叶片或三叶片，也有少其翼型与飞机的翼型类似，一般多为双叶片或三叶片，也有少量用单叶片或四叶片以上的。量用单叶片或四叶片以上的。新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.3.1 水平轴风力机水平轴风力机(3)多翼式风力机多翼式风力机也叫也叫多叶式多叶式风力机，一般装有风力机，一般装有20枚左右的叶片
17、，是典型的枚左右的叶片，是典型的低转低转速大扭矩速大扭矩风力机。风力机。新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.3.1 水平轴风力机水平轴风力机(4)离心甩出式风力机离心甩出式风力机是一种是一种不直接利用自然风不直接利用自然风的独特设计。的独特设计。采用空心叶片。采用空心叶片。 结构比较复杂，通道内空气流动的结构比较复杂，通道内空气流动的摩擦损失大摩擦损失大，总体效率很低总体效率很低。新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.3.1 水平轴风力机水平轴风力机(5)透平式风力机透平式风力机也叫也叫涡轮式涡轮式风力机，其结构形式燃气轮机和蒸汽轮机类
18、似，由风力机，其结构形式燃气轮机和蒸汽轮机类似，由静叶片和动叶片静叶片和动叶片组成。组成。这种风力机的这种风力机的叶片短叶片短，强度高强度高，尤其，尤其适用于强风场合适用于强风场合，例如南，例如南极和北极地区。极和北极地区。新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.3.1 水平轴风力机水平轴风力机(5)压缩风能型风力机压缩风能型风力机是一种特殊设计的风力机，是一种特殊设计的风力机，图见教材图见教材，利用装在叶轮外面的集风器或扩散筒，利用装在叶轮外面的集风器或扩散筒，提高经过风轮的空气密度提高经过风轮的空气密度，或者或者增加风轮两侧的气压差增加风轮两侧的气压差，从而提高风
19、能吸收的效果。从而提高风能吸收的效果。还有还有安装和成本上的问题安装和成本上的问题需要解决。需要解决。新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.3.2 垂直轴风力机垂直轴风力机(1)萨布纽斯式（萨布纽斯式（S式）风力机式）风力机芬兰工程师萨布纽斯发明，我国简称为芬兰工程师萨布纽斯发明，我国简称为S式。式。通常由两枚半圆筒形的叶片所构成，也有用通常由两枚半圆筒形的叶片所构成，也有用34枚的。主要靠枚的。主要靠两侧叶片的阻力差驱动，能两侧叶片的阻力差驱动，能产生很大的扭矩产生很大的扭矩。但是能够提供的但是能够提供的功率输出较低功率输出较低，效率最大不超过效率最大不超过10%
20、。为提高效率，可多层重叠（为提高效率，可多层重叠（图见教材图见教材）新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.3.2 垂直轴风力机垂直轴风力机(2)达里厄型（达里厄型（D式）风力机式）风力机法国工程师达里厄发明。法国工程师达里厄发明。常见有常见有、H形结构等（形结构等（图见教材）图见教材）。有有较高的功率输出较高的功率输出，不过它的，不过它的起动扭矩低起动扭矩低。装置简单，成本也比较低，装置简单，成本也比较低，是是水平轴风力机的主要竞争者水平轴风力机的主要竞争者。 (3) S式和式和D式组合风力机式组合风力机把把输出性能好的输出性能好的D式式风力机和风力机和启动性能好的
21、启动性能好的S式式风力机风力机组合组合在一起使用（在一起使用（图见教材图见教材），可以兼顾输出能力、起动力矩），可以兼顾输出能力、起动力矩和成本。和成本。新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.3.2 垂直轴风力机垂直轴风力机(4)旋转涡轮式风力机旋转涡轮式风力机靠压差推动靠压差推动的横流式风力机，其原理受通风机的启发演变而的横流式风力机，其原理受通风机的启发演变而得。教材给出了一种多叶型旋转涡轮式风力机的照片。得。教材给出了一种多叶型旋转涡轮式风力机的照片。结构复杂价格也较高结构复杂价格也较高，有些能改变桨距，有些能改变桨距，起动性能好起动性能好，能保，能保持一定的
22、转速，持一定的转速，效率极高效率极高。 新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.3.2 垂直轴风力机垂直轴风力机(5)美格劳斯效应风力机美格劳斯效应风力机美格劳斯效应风力机由自旋的圆柱体组成，在气流中工作时，美格劳斯效应风力机由自旋的圆柱体组成，在气流中工作时，产生的产生的移动力由美格劳斯效应（移动力由美格劳斯效应（参见教材参见教材）引起）引起，大小与风速，大小与风速成正比。在大的成正比。在大的圆形轨道上移动的小车圆形轨道上移动的小车上装上回转的圆筒，由上装上回转的圆筒，由风力驱动小车，用装在风力驱动小车，用装在小车轴上的发电机发电小车轴上的发电机发电。 新能源与分布
23、式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.4 水平轴风力机的结构和原理水平轴风力机的结构和原理 3.4.1 水平轴风力机的结构水平轴风力机的结构目前目前应用较多的应用较多的是是水平轴风力机水平轴风力机，且多用，且多用螺旋桨型叶片螺旋桨型叶片。水平轴风力机主要包括水平轴风力机主要包括风轮风轮、塔架塔架、机舱机舱等部分。等部分。风轮风轮是由轮毂及安装于是由轮毂及安装于轮毂轮毂上的若干上的若干叶片叶片(桨叶桨叶)组成，是风组成，是风力机捕获风能的部件；力机捕获风能的部件；塔架塔架是风力机的支撑结构；是风力机的支撑结构；机舱机舱内集中放置调向装置、内集中放置调向装置、控制装置、传动机构、发
24、电机等。控制装置、传动机构、发电机等。新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.4.2 水平轴风力机的原理水平轴风力机的原理翼型及其受力翼型及其受力在与飞行器设计有关的空气动力学中，在与飞行器设计有关的空气动力学中，升力是促使飞行器飞离升力是促使飞行器飞离地面的力地面的力，因而被称为升力。，因而被称为升力。当当攻角为攻角为0时，升力最小时，升力最小。当气流方向与物体表面垂直时，物。当气流方向与物体表面垂直时，物体受到的阻力最大。体受到的阻力最大。新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.4.2 水平轴风力机的原理水平轴风力机的原理伯努利效应伯努利
25、效应空气的空气的压力与气流的速度有一定的对应关系压力与气流的速度有一定的对应关系，流速越快，压力流速越快，压力越低越低，这种现象叫作，这种现象叫作伯努利效应伯努利效应。翼型上表面凸起部分的气流较快，上表面的空气压力比下表面翼型上表面凸起部分的气流较快，上表面的空气压力比下表面明显要低，从而对翼型物体产生向上的明显要低，从而对翼型物体产生向上的“吸入吸入”作用，增大升作用，增大升力。力。新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.4.2 水平轴风力机的原理水平轴风力机的原理桨距（节距角）桨距（节距角）攻攻角角与与叶叶片片的的安安装装角角度度有有关关。叶叶片片的的安安装装角角
26、称称为为节节距距角角，有有时时也称之为也称之为桨距桨距，常用字母，常用字母表示表示。当当风风轮轮旋旋转转时时，叶叶片片在在垂垂直直于于气气流流方方向向的的方方向向上上也也与与气气流流有有相相对运动，因而实际的攻角对运动，因而实际的攻角与叶片静止时的攻角不一样。与叶片静止时的攻角不一样。新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.4.2 水平轴风力机的原理水平轴风力机的原理风能利用系数风能利用系数任何类型风力机都不可能将接触的风能全部转化成机械能。任何类型风力机都不可能将接触的风能全部转化成机械能。风力机能够从风中吸取的能量，与风轮扫过面积内的全部风能风力机能够从风中吸取的
27、能量，与风轮扫过面积内的全部风能(未受风轮干扰时未受风轮干扰时)之比，称为之比，称为风能利用系数风能利用系数。根据根据BetzBetz理论理论( (见教材见教材) )，风能利用系数有理论最大值，约，风能利用系数有理论最大值，约0.60.6。风能利用系数主要取决于风轮叶片的设计（如攻角、桨距、翼风能利用系数主要取决于风轮叶片的设计（如攻角、桨距、翼型）以及制造水平，还和转速有关。高性能的螺旋桨式风力机，型）以及制造水平，还和转速有关。高性能的螺旋桨式风力机，Cp值一般在值一般在0.45左右左右。新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.4.2 水平轴风力机的原理水平轴风力
28、机的原理叶尖速比叶尖速比叶片尖端旋转速率叶片尖端旋转速率与上游未受干扰的与上游未受干扰的风速风速之比，称之比，称叶尖速比叶尖速比，常用字母常用字母来表示。来表示。风能利用系数风能利用系数Cp与叶尖速比有关，详见教材。与叶尖速比有关，详见教材。当当 取特定值时取特定值时Cp值最大，称之为值最大，称之为最佳叶尖速比最佳叶尖速比。 新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.4.2 水平轴风力机的原理水平轴风力机的原理容积比容积比也叫实度，表示也叫实度，表示“实体实体”在扫掠面积中所占的百分数在扫掠面积中所占的百分数。多叶片风力机具有很高的容积比，被称为高容积比风力机；多叶片风
29、力机具有很高的容积比，被称为高容积比风力机；具有少数几个窄叶片的风力机，则被称为低容积比风力机。具有少数几个窄叶片的风力机，则被称为低容积比风力机。多个叶片会互相干扰，因此总体上高容积比的风力机效率低。多个叶片会互相干扰，因此总体上高容积比的风力机效率低。不过，不过，空气动力学噪声一般较小空气动力学噪声一般较小。低容积比风力机，如果低容积比风力机，如果叶尖速比太低叶尖速比太低，有些，有些风会直接吹过风会直接吹过转子转子的扫掠面积；如果的扫掠面积；如果叶尖速比太高叶尖速比太高，一些气流将绕开风力机流过。，一些气流将绕开风力机流过。新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.
30、4.2 水平轴风力机的原理水平轴风力机的原理力矩和转速力矩和转速风力机风力机机械能机械能等于叶片等于叶片角速度角速度与风作用于风轮的与风作用于风轮的力矩力矩的的乘积乘积。获取风能相同，获取风能相同，角速度小，则力矩大角速度小，则力矩大；角速度大，则力矩小。；角速度大，则力矩小。低速风力机的输出功率小，扭矩系数大，用于磨面和提水的风低速风力机的输出功率小，扭矩系数大，用于磨面和提水的风力机，常采用多叶片风力机。力机，常采用多叶片风力机。高速风力机效率高、输出功率大，因此风力发电常用高速风力机效率高、输出功率大，因此风力发电常用23叶片。叶片。新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电
31、风力发电3.4.2 水平轴风力机的原理水平轴风力机的原理取自风能的功率取自风能的功率风力机捕获风能转变为机械功率：风力机捕获风能转变为机械功率：一般不易对空气密度、风速、叶片半径等进行实时控制，为了一般不易对空气密度、风速、叶片半径等进行实时控制，为了实现实现风能捕获最大化风能捕获最大化，唯一的，唯一的控制控制参数就是参数就是风能利用系数风能利用系数Cp 。主要是控制叶尖速比和桨距等。主要是控制叶尖速比和桨距等。新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.4.2 水平轴风力机的原理水平轴风力机的原理工作风速工作风速风力机并不是在所有风速下都能正常工作。风力机并不是在所有风
32、速下都能正常工作。起动风速起动风速“切入风速切入风速” ； “额定风速额定风速” ；停机风速停机风速“切出风速切出风速” 。新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.4.3 风力机的功率调节方式风力机的功率调节方式定桨距风力机功率调节定桨距风力机功率调节风轮叶片的风轮叶片的桨距角固定不变桨距角固定不变，利用叶片的失速特性调节利用叶片的失速特性调节风力机风力机的输出功率。的输出功率。在额定风速以下，吸收的能量随流速上升而增加；在额定风速以下，吸收的能量随流速上升而增加；当当超过额定风速后超过额定风速后，叶片，叶片翼型发生变化翼型发生变化，叶片后侧的气流分离，叶片后侧的气流
33、分离产生湍流产生湍流，叶片，叶片效率急剧下降效率急剧下降，输出功率不随风速上升而增加。，输出功率不随风速上升而增加。失速型失速型叶片存在扭角叶片存在扭角，失速从叶片的局部开始，随风速的上升，失速从叶片的局部开始，随风速的上升而逐步向叶片全长发展，起到功率调节作用。而逐步向叶片全长发展，起到功率调节作用。定桨距风力机定桨距风力机的风功率捕获控制完全的风功率捕获控制完全依靠叶片的气动性能依靠叶片的气动性能，优，优点是结构简单、造价低、同时具有较好的安全系数。缺点是点是结构简单、造价低、同时具有较好的安全系数。缺点是难难以对风功率的捕获进行精确的控制以对风功率的捕获进行精确的控制。新能源与分布式发电
34、技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.4.3 风力机的功率调节方式风力机的功率调节方式变桨距风力机功率调节变桨距风力机功率调节通过通过调节桨距角调节桨距角改变改变叶片攻角叶片攻角，以改变叶片的风能捕获能力。，以改变叶片的风能捕获能力。启动时启动时，调节桨距角，限制风能捕获以维持风力机转速恒定。，调节桨距角，限制风能捕获以维持风力机转速恒定。低于额定风速低于额定风速时，保持桨距角恒定，通过调速控制使风力机运时，保持桨距角恒定，通过调速控制使风力机运行于最佳叶尖速，维持风力机组在最佳风能捕获效率下运行。行于最佳叶尖速，维持风力机组在最佳风能捕获效率下运行。高于额定风速高于额定风速时，调节
35、风力机桨距角，使风轮叶片的失速效应时，调节风力机桨距角，使风轮叶片的失速效应加深，从而限制风能的捕获。加深，从而限制风能的捕获。变桨距功率调节变桨距功率调节可在高于额定风速时保持稳定的功率输出可在高于额定风速时保持稳定的功率输出，并，并且机组结构受力相对较小。且机组结构受力相对较小。但是需要桨距调节装置，但是需要桨距调节装置，控制系统复杂，价格较高控制系统复杂，价格较高，风速跟踪，风速跟踪有延时，可能导致风力机有延时，可能导致风力机瞬间超载瞬间超载。同时，风速的不断变化会。同时，风速的不断变化会导致变桨机构频繁动作，损坏后维修费用昂贵。导致变桨机构频繁动作，损坏后维修费用昂贵。新能源与分布式发
36、电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.5 风力发电机组风力发电机组3.5.1 风电机组及其构成风电机组及其构成新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.5.2 风力发电机风力发电机常见的风力发电机类型常见的风力发电机类型（1）恒速恒频的鼠笼式感应发电机）恒速恒频的鼠笼式感应发电机（2）变速恒频的双馈感应式发电机）变速恒频的双馈感应式发电机（3）变速变频的直驱式永磁同步发电机）变速变频的直驱式永磁同步发电机新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.5.3 传动和控制机构传动和控制机构包括传动结构（例如齿轮箱）、对风系统（偏航系统）、限速
37、包括传动结构（例如齿轮箱）、对风系统（偏航系统）、限速和制动装置。和制动装置。详见教材详见教材3.5.4 塔架和机舱塔架和机舱塔架的高度视地面障碍物对风速影响的情况及风轮直径大小而塔架的高度视地面障碍物对风速影响的情况及风轮直径大小而定定（详见教材）（详见教材）新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.6 风电场风电场3.6.1 风电场的概念风电场的概念在在风风力力资资源源丰丰富富的的地地区区，将将数数十十台台至至数数千千台台单单机机容容量量较较大大的的风风力力发发电电机机组组集集中中安安装装在在特特定定场场地地，按按照照地地形形和和主主风风向向排排成成阵阵列列，组组成
38、成发发电电机机群群，产产生生数数量量较较大大的的电电力力并并送送入入电电网网，这这种种风风力力发发电的场所就是电的场所就是风电场风电场。风电场风电场单机容量小单机容量小、机组数目多机组数目多。新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.6 风电场风电场更多类型的风电场照片，详见教材更多类型的风电场照片，详见教材3.6节。节。新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.6 风电场风电场3.6.2 风力发电的特点风力发电的特点优点：优点：（1）没有直接污染排放；）没有直接污染排放；（2）不需要水参与发电过程；）不需要水参与发电过程；（3）经济性好。）经济
39、性好。对环境的负面影响：对环境的负面影响：（1）风力机的噪声；）风力机的噪声；（2）风力机的电磁干扰；）风力机的电磁干扰；（3）视觉影响；等等。）视觉影响；等等。新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.7 风电的发展世界风电的发展世界世界之最：（世界之最：（详见教材详见教材）第一个风力发电站；第一个风力发电站；第一台螺旋桨式大型风力发电机；第一台螺旋桨式大型风力发电机；第一台兆瓦级风力发电机；第一台兆瓦级风力发电机；现代风力机的雏形。现代风力机的雏形。新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.7 风电的发展世界风电的发展世界20世纪世纪70年代
40、以来，随着世界性能源危机和环境污染日趋严重，年代以来，随着世界性能源危机和环境污染日趋严重，在风力发电技术研究和应用上投入了相当大的人力及资金，研在风力发电技术研究和应用上投入了相当大的人力及资金，研制出了高效、可靠的风力发电机，为风电的大规模发展提供了制出了高效、可靠的风力发电机，为风电的大规模发展提供了条件。条件。1997-2007世界风电总装机容量（GW）的增长趋势 新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.7 风电的发展世界风电的发展世界世界上已运行的世界上已运行的最大风电机组单机容量最大风电机组单机容量已达到已达到 5MW，而，而MW风电机组也已研制成功。风电
41、机组也已研制成功。世界风能利用排名前十的国家世界风能利用排名前十的国家，参见教材图，参见教材图3.33和相关说明。和相关说明。目前，海上风电机组的平均单机容量在目前，海上风电机组的平均单机容量在3 MW左右，最大已达左右，最大已达6 MW。全世界海上风电总装机容量超过。全世界海上风电总装机容量超过80万千瓦。万千瓦。欧洲风能协会欧洲风能协会和和绿色和平组织绿色和平组织的最新出版物的最新出版物风电风电12指出，指出，到到2020年年世界电力的世界电力的xx%将来源于风电将来源于风电。 新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.7 风电的发展我国风电的发展我国中国之最：（中
42、国之最：（详见教材详见教材）中国第一个并网风电场；中国第一个并网风电场；中国第一个大型风电场；中国第一个大型风电场；亚洲第一台亚洲第一台3兆瓦海上风电机组。兆瓦海上风电机组。趣闻：趣闻：吐鲁番的吐鲁番的“风车森林风车森林” （详见教材详见教材）新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.7 风电的发展我国风电的发展我国年我国风电装机容量变化年我国风电装机容量变化新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术 风力发电风力发电3.7 风电的发展我国风电的发展我国自自2005年起，风电规模年起，风电规模连续三年实现翻倍增长连续三年实现翻倍增长，即新增装机容，即新增装机容量每年都增加量每年都增加100%，成为世界风电快速增长的市场之一。，成为世界风电快速增长的市场之一。到到2008年底，风电装机容量已达年底，风电装机容量已达1217万千瓦万千瓦。提前。提前3年超额实年超额实现了现了2010年年500万千瓦的风电装机目标。万千瓦的风电装机目标。按目前增长趋势，到按目前增长趋势，到2010年中国总装机容量将近年中国总装机容量将近亿千瓦；亿千瓦；预计到预计到2020年，中国总装机容量将达到年，中国总装机容量将达到亿千瓦亿千瓦。
