风能的利用技术

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Used in the US for pumping water
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Charles F. Brush (1849-1929)

1st windmill to generate electricity was built in 1888.
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Wind farms became popular in California in the 1980s.
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风能利用-风力发电


风力发电并非一个占地宽敞的工厂，也不 需要高压电塔、变电所来进行输配电。 以一台1000千瓦的风力发电机为例，塔筒 高约60m，叶片直径达50~60m，底座地上 面积为16m2，基座附有小型变电器，由地 下电缆将低伏电直接连接上附近电网。
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气流动能
1 2 Ek mv 2

气流速度为v，垂直流过截面积为A的假想面， 在t时间内流过该截面气流的体积和质量
V Avt

m V Avt
1 3 P v A 2
在t 时间内，流过该截面的风能及其风功率：
1 3 Ek v At 2

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The rotor blades capture the wind and transfer its power to the rotor hub（轮毂）.
The nacelle（吊篮） contains the key components of the wind turbine。
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一、概述 太阳光从上而下照射大气层，使之升温。又 由于地球的自转和公转，地面附近各处受热 不均，大气温差发生变化，引起空气流动。 空气在水平方向上的流动就形成了风。 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。它相当于全球目前每年耗煤 能量的1000倍以上。
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The high speed shaft rotates with approximately. 1,500 revolutions per minute (RPM) and drives the electrical generator. The gearbox has the low speed shaft to the left. It makes the high speed shaft to the right turn approximately 50 times faster than the low speed shaft.
The electronic controller contains a computer which continuously monitors the condition of the wind turbine and controls the yaw mechanism（偏移装 置）.
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The hub of the rotor is attached to the low speed shaft of the wind turbine.
The low speed shaft of the wind turbine connects the rotor hub to the gearbox. 变速箱 On a modern 1000 kW wind turbine the rotor rotates relatively slowly, about 19 to 30 revolutions per minute (RPM). The shaft contains pipes for the hydraulics system to enable the aerodynamic brakes to operate.
•
Height:
25 - 50 m

Large-size Towers:
•
Height:
50 - 110 m
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Rotor

Material:

Composite Wood Fiberglass

Blade Concepts:

The Danish Three-Bladed Concept Two-Bladed (Teetering) Concept One-Bladed Concept
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二、风力发电原理 1. The Wind Rose风玫瑰图 在极坐标底图上点绘出的某一地 区在某一时段内各风向出现的频 率或各风向的平均风速的统计图。 前者为“风向玫瑰图”，后者为 “风速玫瑰图”。因图形似玫瑰 花朵，故名。
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风速的粗算

风速随高度的变化：
The cooling unit contains an electric fan which is used to cool the electrical generator. In addition, it contains an oil cooling unit which is used to cool the oil in the gearbox. Some turbines have water-cooled generators.
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1. Wind Energy System Components

Tower 塔 Rotor 转子 Wind Turbine 风力透平
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24Hale Waihona Puke Baidu
Tower

Small Wind Towers:
•
Height:
10 - 30 m

Medium-size Towers:
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风能的用途



提水 风力发电 风帆助航 利用风能加热
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人类利用风能的历史 可以追溯到公元前。 我国是世界上最早利 用风能的国家之一。
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Dates back to 600 AD
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水平轴

垂直轴
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Wind Turbine

Small Turbines

Power: 50 – 60 kW

Medium- size Turbines

Power:
50 – 1500 kW

Large-size Turbines

Power: 2 – 3 MW
城市平地、较 高草地、树木 极少 高的农作物、 篱笆、树木少
n
0.16
0.20
树木多、建筑物 0.22~0.24 极少 0.28~0.30 森林、村庄
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城市有高层建 筑
0.40
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蒲福风级
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2.风能：空气密度和转子面积
风力透平获得能量，将风力转换成风力透平叶片 的转矩，风能转换成转矩的数量依赖于空气密度 和风速。 空气密度越大，风速越大，可转换的风能越大。 转子扫过的面积越大，接受风能越大。
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Tubular Steel Towers
Lattice Towers Hybrid Towers
Guyed Pole Towers
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3). Size of Wind Turbines
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四、风能利用 风能是利用风力机将风能转化为电能、热能、 机械能等各种形式的能量，用于发电、提水、 助航、致冷和致热等。
h v v1 h1
n
v为距地面高为h处的风速，v1高度为h1的风速。 n为经验指数，取决于大气稳定度和地面粗糙 度，常为0.125~0.5。
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不同地表面粗糙度的n值 （地面100以下区域）
地面类型
光滑地面、硬地 0.1 面、海洋 草地 0.14
n
地面类型
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2).Wind Turbine Towers The tower of the wind turbine carries the nacelle and the rotor. Towers for large wind turbines may be either tubular steel towers, lattice towers, or concrete towers. Guyed tubular towers are only used for small wind turbines (battery chargers etc.)
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现代风力机每台设计寿命为二十年，每半年维 护一次，其设计为遥控自动，无人看守，可连 接到工程师的手机，一有问题可利用装有遥控 系统的手提电脑马上解决。
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风力发电制造过程图1
地下电缆将低伏电直接连接上附近电网
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风力发电制造过程图2
底座
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electrical generator. On a modern wind turbine the maximum electric power is usually between 600 and 3000 kilowatts (kW).
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风向会经常改变，为了有效地利用风能，必须 要有自动迎风的装置，它根据风向感测仪测得 的风向信号，由控制器控制偏移电机， 驱动 小齿轮再推动塔架上的大齿轮，使整个机舱藉 此自动控制的系统，能够一直对向迎风面。
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Formation of winds by local heating and cooling
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•太阳辐射到地球之能量中的2%变成风 力，其中之0.1%可供为风力发电之用， 因此只要充分利用风力之2%左右即足够 人类中所需。 •风力发电的风能收集器是风车叶片以吸 收风的动能，然后传到旋转轴再带动发 电机发电，且能够供应全国发电，可减 少石油燃料的浪费。
风力透平输出功率：
1 Pt t v3 A 2
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Wind power
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• 三、wind turbine • 风力发电机主要结构包 括叶片、发电机、增速 装置、控制系统、塔架、 机舱...等。 • 风车的斜面叶片受到风 的阻力，产生一股反抗 的力量，力量作用而造 成风车的转动就是作用 力与反作用力的原理。

风力发电制造过程图3
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衔接塔柱
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Turbine Parts Transportation
By Land Transportation
By Sea Transportation
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By Air Transportation (Air Cargo)
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风能利用技术
明廷臻
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“Windpower is the fastest growing source of energy in the world today. Growth rates have exceeded 30% per year over the past decade”.
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风力发电制造过程图4
发电机与变速箱
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风力发电制造过程图5
叶片
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The anemometer and the wind wane are used to measure the speed and the direction of the wind.
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The hydraulics system is used to reset the aerodynamic brakes of the wind turbine.