风力发电简单原理

a
12
不同地面上风速和高度的关系图
a
13
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：
式中 v——距地面高度为h处的风速，m
／s；
v1——高度为hi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1/2～1/8。
a
14
（3）风的随机性变化 如果用自动记录仪来记录风速，
a
6
（1）风随时间的变化 风随时间的变化，包括每日的变化
和季节的变化。通常一天之中风的强弱 在某种程度上可以看作是周期性的。如 地面上夜间风弱，白天风强；高空中正 相反是夜里风强，白天风弱。这个逆转 的临界高度约为100～150m。下图是在 日本川口国际广播电台的无线电铁塔上
测得的不同高度处，一天内的风速变化。
a
16
风况曲线
风况曲线是风能利用的基础资
料。它是将全年（8760h）风 速 在v（m／s）以上的时间作为横 坐标，纵坐标则为风速v（见下 图），从风况曲线即可知道该地
区某种风速以上有多少小时，从
而制定相应的风能利用计划。
a
17
日本石廊崎等地区的风况曲线图
a
18
风能特点
风能与其它能源相比，既有其明显 的优点，又有其突出的局限性。风能具 有四大优点和三大弱点。
第三讲 风力发电简单原理
栗文义
a
1
一、风的起源及特性
1、风的起源 风是最熟悉的自然现象。要了
解风的形成必须了解包围着地球
的大气的运动。大气的流动也像
水流一样是从压力高处往压力低
处流。太阳能正是形成大气压差
的原因。
a
2
由于地球自转轴与围绕太阳的公转
轴之间存在66．5°的夹角，因此对地
球上不同地点，太阳照射角度是不同的，
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也 叫阵风风速。下图表示了阵风和平 均风速的关系。
a
15
阵风和平均风图速
a一阵风振幅；b一阵风的形成时间； C一阵风的最大偏移量；
d一阵风消失时间
1－S型；2-多叶片型；3-开型式S型;4-平板式；
5-中型达里厄；6-△型达里厄；7-旋翼型
a
26
三、何谓风力发电
人类社会发展的历史与能源的开发和利 用水平密切相关，每一次新型能源的开发都 使人类经济的发展产生一次飞跃。在我们进 入21世纪的今天，世界能源结构也正在孕育 着重大的转变，即由矿物能源系统向以可再 生能源为基础的可持续能源系统转变。所谓 可再生能源就是取之不尽、用之不竭、与人 类共存的能源。它包括太阳能、风能、生物 质能、地热能、海洋能等。在这众多的可再 生能源中，目前发展最快、商业化最广泛、
3、地区差异大。
由于地形的影响，风力的地区差异 非常明显。一个邻近的区域，有利地形 下的风力，往往是不利地形下的几倍甚
至几十倍。
a
21
二、风力机简介 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。
处运动，以便把热量从热带向两极输送，
因此形成不同方向的风，并伴随不同的
气象变化。大洋中的海流也起着类似的
作用。从全球尺度来看，大气中的气流
是巨大的能量传输介质，地球的自转以
进一步促进了大气中半永久性的行星尺
度环流的形成。下图表示了地球上风的
运动方向。
a
4
a
5
风的变化 风向和风速是两个描述风的
重要参数。风向是指风吹来的方 向，如果风是从北方吹来就称为 北风。风速是表示风移动的速度， 即单位时间内空气流动所经过的 距离。显然风向和风速这两个参 数都是在变化的。
叶片式
a
24
2、垂直轴风力机
垂直轴风力机叶轮的转动与风
向无关，因此不需要像水平轴风力
机那样采用迎风装置，但其输出功
率一般比水平轴风力机小。下图为
各种不同的垂直轴风力机的示意图。
风力机的效率主要取决于风轮效率、
传动效率、贮能效率。 发电机和其
他工作机具的效率。
a
25
图1 各种不同垂直轴风力机示意图 （a）坚轴风机（阻力型）；（b）坚轴风机（升力型）
四大优点是：
蕴量巨大； 可以再生； 分布广泛；
没有污染。
a
19
三大弱点是：
1、密度低。 这是风能的一个重要缺陷。由于风
能来源于空气的流动，而空气的密度是 很小的，因此风力的能量密度也很小， 只有水力的1／816。在各种能源中，风 能的含能量是极低的，给其利用带来一 定的困难。
aLeabharlann Baidu
20
2、不稳定。
由于气流瞬息万变，因此风的脉动、 日变化、季变化以至年际的变化都十分 明显，波动很大，极不稳定。
a
22
1、水平轴风力机
水平轴风力机是目前国内外最常见 的一种风力机。下图表示了目前应用最 广的各种不同迎风式水平轴风力机的示 意图。
a
23
各种不同迎风式水平轴风力机示意图
a）单叶片；（b）双叶片；（c）三叶片；（d）美国农场式多叶片风车；（g）车轮式多 叶片风车；
（f）迎风式；（g）背风式；（h）空心压差式；（i）川帆翼式；（j）多转子；(k）反转
同高度的大气层分为三个区域（见
下图）。离地面2m以内的区域称为
底层；2—100m的区域称为下部摩
擦层，二者总称为地面境界层；从
100—1000m的区段称为上部摩擦层，
以上三区域总称为摩擦层。摩擦层
之上是自由大气。
a
10
大气层的构成图
a
11
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，如城市、乡村和海边平地， 其风速随高度的变化如下图所示。
a
7
a
8
由于季节的变化，太阳和地球
的相对位置也发生变化，使地球
上存在季节性的温差。因此风向
和风的强度也会发生季节性变化。
我国大部分地区风的季节性变化
情况是：春季最强，冬季次 之，
夏季最弱。当然也有部分地区例
外，如沿海温州地区，夏季季风
最强，春季季风最弱。
a
9
（2）风随高度的变化
从空气运动的角度，通常将不
而且对同一地点一年365天中这个角度
也是变化的。地球上某处所接受的太阳
辐射能正是与该地点太阳照射角的正弦
成正比。地球南北极接受太阳辐射能少，
所以温度低，气压高；而赤道接受热量
多，温度高，气压低。另外地球又绕自
转轴每24h旋转一周，温度、气压昼夜
变化。
a
3
这样由于地球表面各处的温度、气
压变化，气流就会从压力高处向压力低