第4章风能.ppt

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20
9597
1056
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4299
243
6
106660
29143
27
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
0
无风 0.0-0.2 烟直上
平静
0
1
软风 0.3-1.5 烟示风向 微波峰无飞沫 0.1
2
轻风 1.6-3.3 感觉有风 小波峰未破碎 0.2
3
微风 3.4-5.4 旌旗展开 小波峰顶破裂 0.6
4
和风 5.5-7.9 吹起尘土 小浪白沫波峰
1
5
劲风 8.0-10.7 小树摇摆 中浪折沫峰群
2
6
强风 10.8-13.8 电线有声 大浪到个飞沫
风力发电的原理
风能的效益
转换效率
1.风力能源转换成 电力，理论上最高 效率约为59％ 2.实际上介于30 ％～50％之间 3.经过机电设备转 换成电力总输出率 介于20～45％ 4.经济效益取决于 于发电效益 5.多为水平轴式
电力输出VS 风的速度
叶轮直径
1.能量与风速的三 1.风能的多寡与叶
次方成正比
白昼海陆风
夜间陆海风
山谷风
谷
风
的 形
增（冷源）
山谷风
山
风
的 形 成
降温快 （冷源）
降温快 （冷源）
降温慢 （热源）
北纬30度 至60度之 间的大气 环流系统
赤道 与南 北纬 30度 之间 的大 气环 流系 统
全球大气环流示意
北纬60度 至北极之 间的大气 环流系统
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。
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。
风机的分类
按转动轴方向 水平轴 垂直轴
按叶片个数 单叶片 二、三叶片 多叶片
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， 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。
轮直径成正比
2.风速12～15m/s 2.多叶片用于风车
时达到额定的输出 效率较低但机械力
容量
矩较高，如提水工
3.风速达到20～ 作
25m/s时，将强迫 3.少叶片反之
风力发电机停机
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。
P=0.5ρv3FCP (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。
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 密度的平均值称为平均风能密度。
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。
全国各地风玫瑰图集
全球风能资源
地球上的风能资源十分丰富，根据相关资料统计，每年来自外层 空间的辐射能为1.5×1018kWh，其中的2.5％即3.8×1016kWh的能量被 大气吸收，产生大约4.3×l0l2kWh的风能。
全球风能资源分布
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=0.5ρv3 (W/m2) 推动风力机械运转的风能功率是
P=0.5ρv3F (W) 式中：ρ—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)
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
风速随高度变化经验公式
风速随高度变化的指数公式：
n
v

v1

h h1

V-距离地面高度为h处的风速，m/s
V1-参考高度为h1处的风速，m/s h1-参考高度，m h-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
风力等级表
风级和符号 名称 风速（米）* 陆地物象 海面波浪 浪高（米）
地区
北美 拉丁美洲和加勒比
西欧 东欧和独联体 中东和北非 撒哈拉以南非洲 太平洋地区
（中国） 中亚和南亚
总计
陆地面积（km2）
风力为3～7级所占的 风力为3～7级所占的
面积（km2）
面积比例（%）
19339
7876
41
18482
3310
18
4742
1968
42
23049
6783
29
8142
2566
32
概述
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。
全球陆上年平均风速分布图
中国风能资源
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）
省区
风能资源 （10,000kW）
省区
风能资源 （10,000kW）
内蒙古
6178
山东
394
新疆
3433
江西
293
黑龙江
1723
江苏
238
甘肃
1143
广东
195
吉林
638
浙江
164
河北
612
福建
137
辽宁
606
海南
64
第三节 风能利用
• 概述 • 风能发电
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3～20 m／s
风玫瑰图
“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。
国家 中国 美国 印度 德国 英国 加拿大 西班牙 意大利 法国 瑞典
新增容量（MW） 17631 6810 3019 2086 1293 1267 1050 950 830 763
——2012中国风电发展报告
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。
升力型 风力机原理
阻力型 风力机（杯式）
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。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Φ型，Δ 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。
14
注：本表所列风速是指平地上离地10米处的风速值
第二节 风能资源
• 风能 • 全球风能资源 • 中国风能资源
•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2.74×109MW，其中可利 用的风能为2×107MW，相当于全球目前每年耗 煤能量的1000倍以上。
现代风力机使得持续稳定地利用风能成为可能
风力发电
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。
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
帆船
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， 百姓终身收益，可谓一举两得。
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。
2011年全球新增风电装机容量达40 564MW；这一 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
2011年全球风电新增装 机排名前十位的国家
风力水车
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。
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。
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。
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
第一节 风能概述
• 风的产生 • 风的变化 • 风能特点
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。
3
7
疾风 13.9-17.1 步行困难 破峰白沫成条
4
8
大风 17.2-20.7 折毁树枝 浪长高有浪花 5.5
9
烈风 20.8-24.4 小损房屋 浪峰倒卷
7
10
狂风 24.5-28.4 拔起树木 海浪翻滚咆哮
9
11
暴风 28.5-32.6 损毁普遍 波峰全呈飞沫 11.5
12
飓风
32.7- 摧毁巨大 海浪滔天