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1、新能源与分布式发电技术,制作：朱永强，许 郁，丁泽俊,第3讲 风能与风力发电,华北电力大学,第3讲 风力发电,关注的问题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？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？,教学目标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，理解风力发电的重要意义和发展前景。,3.1 风能利用的历史,人类利用风能的历史，至少可以追溯到5000多年以前。,埃及可能是最先利用风能的国家。趣闻：风能与金字塔（见教材）2000多年以前，人类开始利用风的力量进行生产，例如
2、靠风力带动简易装置来碾米磨面、引水灌溉。公元前几百年，亚洲的巴比伦人、波斯人也开始利用风能。公元10世纪，伊斯兰人开始用风车提水。到11世纪，风车在中东地区已经获得广泛的应用。,3.1 风能利用的历史,12世纪，风车的概念和设计从中东传入欧洲。荷兰人发明了水平转轴的塔形风车，并且很快风靡北欧。唐吉诃德大战风车的故事听说过吧？（教材引例故事）除了磨面、榨油、造纸、锯木等生产作业之外，在比利时等地势较低国家还用风车来排水。,3.1 风能利用的历史,至少在3000年以前，我国就出现了帆船。中国最辉煌的风帆时代是明代，郑和下西洋，庞大的风帆船（见教材）在那几次举世闻名的航行中功不可没。郑和的“准环球”
3、旅行，比西方的哥伦布和麦哲伦早了好几百年。,3.1 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、舂米等。1300多年前宋代的一种垂直轴“走马灯式”，一直沿用到新中国成立（见教材）。中国沿海沿江地区的风力提水灌溉或制盐的做法，曾经非常盛行，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“斜杆式”风车，直到今天，沿海地区农田和盐场中仍有上千台之多。,3.2 风和风资源,3.2.1 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
4、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。,3.2.1 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)。地球自西向东转，北半球东北风，南半球东南风。（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
5、动，形成山风。,3.2.1 风的形成,一般，在晴朗而且昼夜温差较大的沿海地区，白天吹来海风，夜晚则有陆风吹向海上。在山区，白天谷风从谷底向山上吹，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。以中国的华北地区为例，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，所以在冬季多刮西北风。而夏季正好相反，我国大部分地区常刮东南风。,3.2.2 风的描述,（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，见教材（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
6、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。,3.2.3 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的100倍，相当于万亿吨煤蕴藏的能量。据世界气象组织估计，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MW。全球的风能折算为电能，相当于2.74万亿度，其中可利用的相当于亿度电。地球1.07亿平方公里的陆地表面，平均风速高于5m/s（距地面10m高处）的面积约占27%。据分析，其中只有4左右的面积有可能安装风力发电机。以目前的技术水平，每平方公里的风能发电量为330千瓦左右，平均每年发电量的合理估计为万度左右。,3.2.4 我
7、国风资源,研究表明，全国平均风能密度约为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10亿千瓦，其中有很好开发利用价值的陆上风资源大约有千瓦。,3.2.4 我国风资源,中国气象局风能太阳能资源评估中心，公布了全国平均风速分布和有效风功率密度分布情况，参见教材图3.4和图3.5。,3.3 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）、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。,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（风轮的旋转轴与风向平行）；垂直轴风力机（风轮的旋转轴垂直于
8、地面或气流方向）。,3.3.1 水平轴风力机,(1)荷兰式风力机12世纪初荷兰人发明，曾在欧洲(荷、比、西等国)广泛使用。这可能是出现最早的水平轴风力机。荷兰风车有两种形式，详见教材。,3.3.1 水平轴风力机,(2)螺旋桨式风力机螺旋桨式水平轴风力机目前技术最成熟、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，也有少量用单叶片或四叶片以上的。,3.3.1 水平轴风力机,(3)多翼式风力机也叫多叶式风力机，一般装有20枚左右的叶片，是典型的低转速大扭矩风力机。,3.3.1 水平轴风力机,(4)离心甩出式风力机是一种不直接利用自然风的独特设计。采用空心叶片。,结构比较复杂，通道内空
9、气流动的摩擦损失大，总体效率很低。,3.3.1 水平轴风力机,(5)透平式风力机也叫涡轮式风力机，其结构形式燃气轮机和蒸汽轮机类似，由静叶片和动叶片组成。这种风力机的叶片短，强度高，尤其适用于强风场合，例如南极和北极地区。,3.3.1 水平轴风力机,(5)压缩风能型风力机是一种特殊设计的风力机，图见教材，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，或者增加风轮两侧的气压差，从而提高风能吸收的效果。还有安装和成本上的问题需要解决。,3.3.2 垂直轴风力机,(1)萨布纽斯式（S式）风力机芬兰工程师萨布纽斯发明，我国简称为S式。通常由两枚半圆筒形的叶片所构成，也有用34枚的。主要靠两
10、侧叶片的阻力差驱动，能产生很大的扭矩。但是能够提供的功率输出较低，效率最大不超过10%。为提高效率，可多层重叠（图见教材）,3.3.2 垂直轴风力机,(2)达里厄型（D式）风力机法国工程师达里厄发明。常见有、H形结构等（图见教材）。有较高的功率输出，不过它的起动扭矩低。装置简单，成本也比较低，是水平轴风力机的主要竞争者。,(3)S式和D式组合风力机把输出性能好的D式风力机和启动性能好的S式风力机组合在一起使用（图见教材），可以兼顾输出能力、起动力矩和成本。,3.3.2 垂直轴风力机,(4)旋转涡轮式风力机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得。教材给出了一种多叶型旋转涡轮式风力
11、机的照片。结构复杂价格也较高，有些能改变桨距，起动性能好，能保持一定的转速，效率极高。,3.3.2 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由自旋的圆柱体组成，在气流中工作时，产生的移动力由美格劳斯效应（参见教材）引起，大小与风速成正比。在大的圆形轨道上移动的小车上装上回转的圆筒，由风力驱动小车，用装在小车轴上的发电机发电。,3.4 水平轴风力机的结构和原理,3.4.1 水平轴风力机的结构,目前应用较多的是水平轴风力机，且多用螺旋桨型叶片。水平轴风力机主要包括风轮、塔架、机舱等部分。,风轮是由轮毂及安装于轮毂上的若干叶片(桨叶)组成，是风力机捕获风能的部件；塔架是风力机的支撑结
12、构；机舱内集中放置调向装置、控制装置、传动机构、发电机等。,3.4.2 水平轴风力机的原理,翼型及其受力,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地面的力，因而被称为升力。当攻角为0时，升力最小。当气流方向与物体表面垂直时，物体受到的阻力最大。,3.4.2 水平轴风力机的原理,伯努利效应空气的压力与气流的速度有一定的对应关系，流速越快，压力越低，这种现象叫作伯努利效应。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明显要低，从而对翼型物体产生向上的“吸入”作用，增大升力。,3.4.2 水平轴风力机的原理,桨距（节距角）攻角与叶片的安装角度有关。叶片的安装角称为节距角，有时
13、也称之为桨距，常用字母表示。当风轮旋转时，叶片在垂直于气流方向的方向上也与气流有相对运动，因而实际的攻角与叶片静止时的攻角不一样。,3.4.2 水平轴风力机的原理,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。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(未受风轮干扰时)之比，称为风能利用系数。根据Betz理论(见教材)，风能利用系数有理论最大值，约0.6。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0.45左右。,3.4.2 水平轴风力机的原理,叶尖速比叶片尖端旋转速率与上游未受干扰的风
14、速之比，称叶尖速比，常用字母来表示。风能利用系数Cp与叶尖速比有关，详见教材。当取特定值时Cp值最大，称之为最佳叶尖速比。,3.4.2 水平轴风力机的原理,容积比也叫实度，表示“实体”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；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。不过，空气动力学噪声一般较小。低容积比风力机，如果叶尖速比太低，有些风会直接吹过转子的扫掠面积；如果叶尖速比太高，一些气流将绕开风力机流过。,3.4.2 水平轴风力机的原理,力矩和转速风力机机械能等于叶片角速度与风作用于风轮的力矩的
15、乘积。获取风能相同，角速度小，则力矩大；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23叶片。,3.4.2 水平轴风力机的原理,取自风能的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，为了实现风能捕获最大化，唯一的控制参数就是风能利用系数Cp。主要是控制叶尖速比和桨距等。,3.4.2 水平轴风力机的原理,工作风速风力机并不是在所有风速下都能正常工作。起动风速“切入风速”；“额定风速”；停机风速“切出风速”。,3.4.3 风力机的功率调节方式,定桨距风力机
16、功率调节风轮叶片的桨距角固定不变，利用叶片的失速特性调节风力机的输出功率。在额定风速以下，吸收的能量随流速上升而增加；当超过额定风速后，叶片翼型发生变化，叶片后侧的气流分离产生湍流，叶片效率急剧下降，输出功率不随风速上升而增加。失速型叶片存在扭角，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。定桨距风力机的风功率捕获控制完全依靠叶片的气动性能，优点是结构简单、造价低、同时具有较好的安全系数。缺点是难以对风功率的捕获进行精确的控制。,3.4.3 风力机的功率调节方式,变桨距风力机功率调节通过调节桨距角改变叶片攻角，以改变叶片的风能捕获能力。启动时，调节桨距角，限制风能
17、捕获以维持风力机转速恒定。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。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，并且机组结构受力相对较小。但是需要桨距调节装置，控制系统复杂，价格较高，风速跟踪有延时，可能导致风力机瞬间超载。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。,3.5 风力发电机组,3.5.1 风电机组及其构成,3.5.2 风力发电机,常见的风力发电机类型（1）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
18、电机（3）变速变频的直驱式永磁同步发电机,3.5.3 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）、限速和制动装置。详见教材,3.5.4 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定（详见教材）,3.6 风电场,3.6.1 风电场的概念在风力资源丰富的地区，将数十台至数千台单机容量较大的风力发电机组集中安装在特定场地，按照地形和主风向排成阵列，组成发电机群，产生数量较大的电力并送入电网，这种风力发电的场所就是风电场。风电场单机容量小、机组数目多。,3.6 风电场,更多类型的风电场照片，详见教材3.6节。,3.6 风电场,3.6.2 风力发电的特点优点
19、：（1）没有直接污染排放；（2）不需要水参与发电过程；（3）经济性好。对环境的负面影响：（1）风力机的噪声；（2）风力机的电磁干扰；（3）视觉影响；等等。,3.7 风电的发展世界,世界之最：（详见教材）第一个风力发电站；第一台螺旋桨式大型风力发电机；第一台兆瓦级风力发电机；现代风力机的雏形。,3.7 风电的发展世界,20世纪70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。,1997-2007世界风电总装机容量（GW）的增长趋势,3.7 风电的发展世界,世界上已运行的最大风电机组
20、单机容量已达到 5MW，而MW风电机组也已研制成功。世界风能利用排名前十的国家，参见教材图3.33和相关说明。目前，海上风电机组的平均单机容量在3 MW左右，最大已达6 MW。全世界海上风电总装机容量超过80万千瓦。欧洲风能协会和绿色和平组织的最新出版物风电12指出，到2020年世界电力的xx%将来源于风电。,3.7 风电的发展我国,中国之最：（详见教材）中国第一个并网风电场；中国第一个大型风电场；亚洲第一台3兆瓦海上风电机组。,趣闻：吐鲁番的“风车森林”（详见教材）,3.7 风电的发展我国,年我国风电装机容量变化,3.7 风电的发展我国,自2005年起，风电规模连续三年实现翻倍增长，即新增装机容量每年都增加100%，成为世界风电快速增长的市场之一。到2008年底，风电装机容量已达1217万千瓦。提前3年超额实现了2010年500万千瓦的风电装机目标。按目前增长趋势，到2010年中国总装机容量将近亿千瓦；预计到2020年，中国总装机容量将达到亿千瓦。,朱永强，华北电力大学电气与电子工程学院,本课程的配套教材：新能源与分布式发电技术，朱永强 主编，北京大学出版社，21世纪创新型人才培养规划教材,
