第4章风能0.ppt

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1、1,第三章 风能,第一节 概述第二节 风能资源第三节 风能利用第四节 风能利用的优点,2,第一节 风能概述,风的产生风的变化风能特点,3,风的形成,地球上任何地方都在吸收太阳的热量，但是由于地面每个部位受热的不均匀性，空气的冷暖程度就不一样，于是，暖空气膨胀变轻后上升；冷空气冷却变重后下降，这样冷暖空气便产生流动，形成了风。而且由于地球自转、公转的力量及地形之不同也更加强风力和风向之变化多端。,4,白昼海陆风,5,夜间陆海风,6,增温快（热源）,增温快（热源）,增温慢（冷源）,谷风,山谷风,谷风的形成,7,山谷风,降温快（冷源）,降温快（冷源）,降温慢（热源）,山风,山风的形成,8,赤道与南北

2、纬30度之间的大气环流系统,北纬30度至60度之间的大气环流系统,北纬60度至北极之间的大气环流系统,全球大气环流示意,9,风向和风速,在气象上，风常指空气的水平运动，并用风向、风速（或风力）來表示。风向指风的來向，一般用16个方位或360度來表示。以360度表示时，由北起按顺时針方向量度。风速指的是单位时间內空气的行程，常以米/秒、公里/小时、海里/小时來表示。,10,风随时间的变化,一天中的变化：白天：地面空气温度升高，上下空气热交换，地面形成风。夜间：地面附近空气很快冷却，对流停止，风微弱。但高空空气温度较高，形成对流。,11,风速随高度变化经验公式,风速随高度变化的指数公式：,V-距离

3、地面高度为h处的风速，m/sV1-参考高度为h1处的风速，m/sh1-参考高度，mh-距离地面的高度n-经验指数，取决于大气稳定度和地面粗糙度,12,风力等级表,注：本表所列风速是指平地上离地10米处的风速值,13,第二节 风能资源,风能全球风能资源中国风能资源,14,由于风有一定的质量和速度，并且有一定温度，因此它具有能量。太阳辐射到地球的光能大约有2转变为风能。尽管如此，风能的数量依然很大。全球的风能约为2.74109MW，其中可利用的风能为2107MW，相当于全球目前每年耗煤能量的1000倍以上。,15,风能密度单位面积获得的风功率称为风能密度，并以此表征某地风能潜力的大小 W=0.5v

4、3(W/m2)推动风力机械运转的风能功率是 P=0.5v3F(W)式中：空气质量密度（kg/m3）；v风速(m/s)；F风力机械叶轮扫掠的面积(m2),16,由于实际上风力机械不可能将桨叶旋转的风能全部转变为轴的机械能，因而风轮的实际功率应为 P=0.5v3FCP(W)式中：CP风能利用系数，即风轮所接受风的动能与通过风轮扫掠面积F全部风的动能比值。以水平轴风力机械为例，理论上最大风能利用系数为0.593左右，但再考虑到风速变化和桨叶空气动力损失等因素，风能利用系数能达到0.4就相当高了。,17,平均风能密度由于风速是变化的，风能密度的大小也是随时间变化的，一定时间周期（例如一年）内风能密度的

5、平均值称为平均风能密度。有效风能密度在实际的风能利用中，风力机械只是在一定的风速范围内运转，对于一定风速范围内的风能密度视为有效风能密度。中国有效风能密度所对应的风速范围是320 ms,18,风玫瑰图,19,“风玫瑰”图也叫风向频率玫瑰图，它是根据某一地区多年平均统计的各个方风向和风速的百分数值，并按一定比例绘制，一般多用八个或十六个罗盘方位表示，玫瑰图上所表示风的吹向（即风的来向），是指从外面吹向地区中心的方向。其中，绿线代表夏季，黄线代表的是冬季。风玫瑰折线上的点离圆心的远近，表示从此点向圆心方向刮风的频率的大小。,20,全国各地风玫瑰图集,21,22,地球上的风能资源十分丰富，根据相关资

6、料统计，每年来自外层空间的辐射能为1.51018kWh，其中的2.5即3.81016kWh的能量被大气吸收，产生大约4.3l0l2kWh的风能。,全球风能资源分布,全球风能资源,23,风能资源受地形的影响较大，世界风能资源多集中在沿海和开阔大陆的收缩地带。8级以上的风能高值区主要分布于南半球中高纬度洋面和北半球的北大西洋、北太平洋以及北冰洋的中高纬度部分洋面上，大陆上风能则一般不超过7级，其中以美国西部、西北欧沿海、乌拉尔山顶部和黑海地区等多风地带较大,全球陆上年平均风速分布图,24,25,根据全国风能详查和评价结果，我国陆上50m高度年平均风功率密度大于等于300瓦/平方米的风能资源理论储量

7、为73亿千瓦。风能资源丰富和较丰富的地区主要分布在两个大带里。第一是三北（东北、华北、西北）地区丰富带；第二是沿海及其岛屿地丰富带。另外在一些地区由于湖泊和特殊地形的影响，风能也较丰富，成为内陆风能丰富地区。,中国风资源分布,中国风能资源较丰富省区（10m）,中国风能资源,26,27,概述风能发电,第三节 风能利用,28,风帆助航风能利用，已有数千年的历史。最早的利用方式是“风帆行舟”，利用风力使船只在海面上航行。哥伦布、麦哲伦以及中国的郑和等的远洋航行使用的船只都是帆船，古老的风帆助航业得到了发展。在现代，随着电子计算机和自动化技术的发展,用计算机自动控制风帆的操纵及风帆与动力装置的优化配合

8、已经成为现实,为风帆船的发展提供了有力的支持。80年代,日本建造的“新爱德丸”风帆油船是世界上第一艘实现非人工操帆的风帆船,该船投入营运以来,取得了节省燃料费50%的目标。我国近年来所研制的风帆船,也已取得了初步的成果。,概述,29,帆船,30,风车提水 利用风车提水可以治理山丘区坡耕地和解决人畜饮水问题，既经济、又环保。我国现有耕地18亿亩，灌溉面积仅为耕地面积的一半左右，因为干旱缺水等原因，60%的耕地属中低产田。中低产田的现状都是靠天，风调雨顺则好，一遇到连旱则大幅欠收或绝收。利用当地丰富的风力资源，用风力提水设备将井里或低洼地的水提升到田里，既不用油又不用电，政府一次性投资，百姓终身收

9、益，可谓一举两得。,31,风力水车,32,风力发电 近百年来，荷兰、西班牙和希腊等国的乡村居民都会利用风车来发电。但是利用风车做风力发电既不稳定也不可靠，所以，当其他有效动力资源一出现，风车的地位随即被取代了。近年来，由于传统燃料价格上涨，导致工程师们尝试发展其他更好的方法利用风力。风力虽不很稳定，但是比其他动力资源要来得便利，因为；风向自由、清洁、不会产生不良的副作用，例如，产生有毒的废物等。而且风可以推陈出新、供应不断，这是由于太阳照射局部的地球表面，使大气压力因地球表面的温差而异，已知空气因压力差而流动；所以只要有太阳的照射，风就会不断地吹。现代风力机使得持续稳定地利用风能成为可能,33

10、,风力发电,34,风力发电的发展,鉴于八十年代的石油危机，许多欧洲国家开始寻求出路，最积极的是丹麦，自八十年代开始热衷的支援风力发电，德国是自一九九一年开始立法(规定风电电价为最终用户价格的百分之九十)，随后也有风起云涌的发展。,35,1891年，世界首台风力发电机由丹麦LaCour教授研制成功，单机容量9千瓦。现在500-600(1500)千瓦级的机组已成为风力发电的主力机组，1000(5000)千瓦级的机组已商品化。将许多台风力发电机集中安装在一片土地上，称风力发电场，简称风电场。中国新疆达阪城风电场，总装机容量7.19万千瓦。,36,2011年全球新增风电装机容量达40 564MW；这一

11、新增容量使全球累计风电装机达到237 669MW。截至2011年年底，中国风电累积装机容量已达62.364GW，装机容量占世界的1/4,37,2011年全球风电新增装机排名前十位的国家,2012中国风电发展报告,38,风能发电原理,风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒3米的风速，便可以开始发电，并产生风速在每秒13至15米时（大树干摇动的程度）的输出力道。,39,风力发电的原理,40,风能的效益,41,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，

12、以保证无风时的用电。二是风力发电与其他发电方式相结合，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。,42,风力机,风力机又称风车，是一种将风能转换成机械能、电能或热能的能量转换装置。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。,43,44,风机的分类,按转动轴方向水平轴垂直轴,45,按叶片个数单叶片二、三叶片多叶片,46,按受力分 阻力型和升力型,S型风轮为阻力型风力机，由芬兰工程师(Sigurd Savonius

13、，1925)发明，2个半圆筒叶片组成S型，凹面和凸面叶片对空气流阻力之差推动风轮旋转。S型风轮具有很多优点：叶片设计简单；不受风向限制；启动力矩大；噪音小；发电机可置于风轮下或地面，因而安装和维护的费用都较低。但直筒形S 型风轮因风能利用率较低(为0.15)，发展速度缓慢。,47,升力型风力机原理,48,阻力型风力机（杯式）,49,升力型风力机（D型风轮）,达里厄式风轮（D型风轮）是法国达里厄（G.J.M Darrieus）于1925年发明的,1931年取得专利权。在20世纪70年代石油危机后，加拿大国家科学研究院和美国圣地亚国家实验室对此进行了大量的研究，现在是水平轴风力发电机的主要竞争者。

14、达里厄式风轮是一种升力装置，弯曲叶片的剖面是翼型，它的启动力矩低，但尖速比可以很高，对于给定的风轮重量和成本，有较高的功率输出。现在有多种达里厄式风力发电机，如型，型，Y型和H型等。这些风轮可以设计成单叶片，双叶片，三叶片或者多叶片。,50,升力型风力机（D型风轮）,51,风 力 发 电 机 的 功 率 曲 线,在 风 速 很 低 的 时 候，风 电 机 风 轮 会 保 持 不 动。当 到 达 切 入 风 速 时（通 常 每 秒 3 到 4 米），风 轮 开 始 旋 转 并 牵 引 发 电 机 开 始 发 电。随 著 风 力 越 来 越 强，输 出 功 率 会 增 加。当 风 速 达 到 额

15、定 风 速 时，风 电 机 会 输 出 其 额 定 功 率。之 後 输 出 功 率 会 保 留 大 致 不 变。当 风 速 进 一 步 增 加，达 到 切 出 风 速 的 时 候，风 电 机 会 剎 车，不 再 输 出 功 率，避 免 受 损。,52,53,54,澎湖中屯風力發電廠,55,Horns Rev海上风电场，安装80台Vestas公司提供的海上风电机组，单机容量2MW，机组容量160MW。,56,风电选址,风能资源全年平均风速3m/s以上，3-20风速全年累计3000小时以上。,盛行风向盛行风向稳定，风玫瑰图,57,风速，风向变化不能过于频繁，损害风机,传输距离风机到用户（蓄电池组）

16、的距离,平坦地形选址风400m内不要有障碍物，若有，安装高度为障碍物3倍的高度,山脊地形选址山脊具有天然高塔作用，山脊风速最大,58,建筑物附近的选址附近，上风侧，距离建筑物2H,下风侧，10H,建筑物上，2H,59,第四节 风能利用的优点,风力资源非常丰富风力资源是清洁型，节约型能源风能是一种便宜的能源风能对土地的占用率极小风能非常安全内陆地区的风能利用能带来更好的经济效益 风能技术有广泛的适用性风能技术对于发展中国家来说是比较理想的风能的利用是一种先进技术的利用风能的发展增加就业机会风力发电机有非常好的可靠性,60,丰富的风力资源,风力资源不但丰富而且是可再生的资源。有很多国家正计划把大量

17、消耗的电量由风力发电来提供，而丹麦就是其中国家之一。按照丹麦的政府计划（能源21），到2030年，全国的用电量有50%将来源于风力发电。如果把沿欧洲海岸边上的风力资源全利用上，其所产生的电量将会是全欧洲供电量的几倍。就丹麦而言，全国40%的耗电量可由安装在浅海区域的1千平方公里的海上风厂提供。,61,风力资源是清洁型，节约型能源,风力发电机消耗能源仅发生在从空气的带动到发动机的过程中，一个新型的1,000KW风力发电机年平均可减少其他电力资源所产生的2,000吨二氧化碳。风力发电机生产能源的平均使用年限是20年，它是整个风场总的从建立到运作，维修乃至报废所花的时间的8倍多。换而言之，风场的建立

18、周期平均只花两到三个月的时间。,62,风能是一种便宜的能源,风能已成为现有能源中最便宜的可更新的能源。由于风能的构成由风的立方变化数构成（如风速的立方数），其经济效益很大程度上取决于风场的风力怎样，所以安装越多风力发电机的风场具有越高的经济效益。,63,风能是一种便宜的能源,据丹麦电力公司的报导，来自风力发电的居民用电价格每度相当于配有排烟装置以煤炭为燃料的发电站的电的价格，则为0.04USD/度,这也是欧洲范围内的居民用电的平均价格。,64,各种能源价格的比较,65,风能对土地的占用率极小,在一个建好的典型的风场，风力发电机及交通所用的道路仅占整个风场面积的1%，其余99%的面积可作为正常的

19、农用或其他使用。一个占用36平方米或0.0036公顷的风力发电机每年产生120万到180万度电，别的生物能源则需要占用于154公顷的土地才能产生130万度电。太阳能则需要1.4公顷的面积才能产生同等数量的度电。,66,安全的风能,就环境保护而言，风力资源的利用不产生辐射和残渣物。对此，我们有可证实的安全记录。在风力工业中，死亡性的事故仅可能发生在建设和维修工作中。,67,风力发电机与野生动物的和平共处,在风力发电机下面，您仍然可以看到这样的景象：鹿，牛等牲畜如往常一样地吃草，羊还会在风力发电机下寻找避阴处。对于鸟类而言，死亡率趋向于发生在象电线，电线杆等类似的建筑物，而直接受风力发电机的影响却

20、很小。,68,风力发电机与野生动物的和平共处,最近丹麦的一份研究指出，鸟类的死亡率发生在从风场牵出的高架电网上远比发生在风场本身大得多。鸟实际上在附在丹麦的两个风力发电机上的雀巢安家。丹麦，爱尔兰和美国的研究指出与公路对鸟类的影响相比，风场的影响可以忽略不计。,69,内陆地区的风能利用能带来更好的经济效益,鉴于沿海地区的岛屿风力状况，建立风场是比较理想的专案，实际上在内陆也能使风力发电机能产生更好的经济效益。当风经过山坡或山区的时候，风被压缩之后风速也相对明显地提高了。,70,风能技术的广泛适用性,风能的实用范围广：从为最小灯塔的电池充电和到供给偏远地区的居民用电大到工业型用电供应1.5兆瓦（

21、相当于1千户家庭用电量）。,71,风能技术的广泛适用性,风能技术也有其他更有经济价值的用途包括把风能与柴油备用发电机相结合用于全世界几个小型完全隔离的电网。在大西洋和地中海的岛屿中用于社区植物净化是风能的另一最新用途。,72,风能技术对于发展中国家来说是比较理想的,尽管风力发电机的设计已经成为一种高科技，但它的安装对发展中国家来说也是容易的，并可在当地进行维修和服务。风力发电机生产厂家对人员提供培训。风力发电机的安装增加当地的就业机会，当地厂家经常生产风力发电机的重型部份如塔筒，一般不同的地区有着不同标准的安装进度.,73,风能技术对于发展中国家来说是比较理想的,对于发展中的地区来说，昂贵的燃

22、油供应成为其他几种发电机技术最主要的绊脚石，但风力发电机并不存在这样的问题。印度已成为世界上风力发电机本地化最广泛的发展中国家，而中国正领导着东亚地区的市场。,74,风能的利用是一种先进技术的利用,据丹麦从1980年到1995年的记录，由于空气动力学，建筑动力学及微气象学的先进技术使每平方米单位的风轮扫风面积年平均增长了5%。新的技术还在不断被引用到风力发电机行业中。丹麦风力发电机的重量在过去5年内已减少一半，声级也在过去的3年内减小了一半，而每个风力发电机的能源输出量在过去的15年内却增加了100倍。,75,风能的发展增加就业机会,至今，风力工业已在全世界范围内增加了50,000多个就业机会

23、。风力工业逐步走向多国家化，风力工业的完整化也使其相应的部件生产逐步建立新的市场。就丹麦而言，有15,000多人以风能这个行业为生：风力发电机的设计，制造，部件的生产，提供咨询和机械服务。今天的丹麦在风力工业就业的人比在其他领域如渔业还多。丹麦生产的风力发电机在其他国家提供5，000多个职位，象风力发电机的安装，风力发电机部件如发动机和齿轮箱等部件的生产。,76,风能的广泛性,来自欧洲几个国家如丹麦，德国，荷兰及英国投票选举的结果是70%以上的人愿意用风能来作为电力供应。居住在风力发电机周围的人们更是倾向于风能的使用，80%的人都热衷于风能使用。在丹麦，每100,000多户人家就享有散布在全国

24、6,000多台风力发电机中的其中一台.在丹麦，超过80%的风能是被私人个体或风力合作者所拥有。,77,风力发电机的可靠性,风力发电机仅在有风的时候产生能源，而且风能的产量也随阵风的变化而变化。考虑到风力发电机所受的磨损和外力作用的影响，风力发电机的使用年限为正常运作120,000小时。因此风力发电机必须有一个非常精确的工业标准.高质量的现代风力发电机的可靠性可达98%以上，即一年中平均有98%的时间风力发电机可以进行正常的操作和运行，其可靠性高于其他电力发电机的技术。现代的风力发电机仅半年维护检查一次。,78,风力工业拥有一个迅速发展的市场,在1993年起，风力发电机市场以平均每年以40%的增长率增长，预计在未来的十年会有20%的增长率。目前全世界有大约有40个风力发电机生产厂家，其中一半来自于风力发电机王国-丹麦.风能已逐步在发展或发展中国家发展起来了。由于风能的无污染性更能适用于发展国家对环境保护的要求。,79,风力工业拥有一个迅速发展的市场,在发展中国家，风力发电机的流行更是由于风力发电机安装的快速和无特别燃油的要求。现有35亿美元的产值的风力发电机工业有一个光明的前景，特别是与国际能源环保的号召相一致。,