新能源之风能.pptx

虽然风能有着很大的利用潜力，但风能受地域、环境等各方面的限制，并不是所有的地方都能很好的利用风力资源。在不同的地域环境，可以形成海洋风、陆地风、山谷风等。图1 为地球上风的运动方向 1图2是海陆风形成图图3是山谷风的形成 2 二.风的变化 有两个描述风的重要参数，这就是风向和风速。(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100150m。3不同高度处风速的变化 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。4 (2)风随高度的变化 从空气运动的角度，通常将不同高度的大气层分为三个区域 离地面2m以内的区域称为底层；2100m的区域称为下部摩擦层；二者总称为地面境界层；从1001000m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。5 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图所示。6 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 ms (1)式中 v 距地面高度为h处的风速，ms；v1高度为h1处的风速，ms；n经验指数，它取决于大气稳定度和地面粗糙度，其值约为1218。对于地面境界层，风速随高度的变化则主要取决于地面粗糙度。不同地面情况的地面粗糙度如表1所示。此时计算近地面不同高度的风速时仍采用式(1)，只是用代替式中的指数n。7 不同地面情况下的粗糙度地面情况地面情况 粗糙度粗糙度 地面情况地面情况 粗糙度粗糙度 光滑地面，硬地面，光滑地面，硬地面，海洋海洋 0.10 0.10 树木多，建筑物极少树木多，建筑物极少 0.220.220.24 0.24 草草 地地 0.14 0.14 森林，村庄森林，村庄 0.280.280.30 0.30 城市平地，有较高草城市平地，有较高草地，树木极少地，树木极少 0.16 0.16 城市有高层建筑城市有高层建筑 0.40 0.40 高的农作物，篱笆，高的农作物，篱笆，树木少树木少 0.20 0.20 8 (3)风的随机性变化 如果用自动记录仪来记录风速，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。图9表示了阵风和平均风速的关系。三.风力等级 世界气象组织将风力分为13个等级，如表2所示 910第二节 风能技术应用一风能的衡量 每平米面积上风速为v的风能为：(2)显然风速愈高，风力机可能获得的风能P也愈大，因此风力机应安装在风速大的地方，而且风力机的迎风面积越大，所获得的风能也越多。值得注意的是，由于流经风力机后，风速不可能为零，因此风所拥有的能量并不能完全被利用，也就是说只有风能的一部分被转换成风力机桨叶的机械能，然后这一机械能再被利用来提水，碾米或转换成电能。11 由于空气的密度仅仅是水密度的1816，因此与水能相比，在相同的流速下，风能的能流密度是很低的。风能和其他能源的能流密度之比见表3。由于风能能流密度低就给其利用带来一定的困难。12二风能的利用 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。公元前数世纪我国人民就利用风力提水、灌溉、磨面、舂米，用风帆推动船舶前进。到了宋代更是我国应用风车的全盛时代，当时流行的垂直轴风车，一直沿用至今。在国外，公元前2世纪，古波斯人就利用垂直轴风车碾米。10世纪伊斯兰人用风车提水，11世纪风车在中东已获得广泛的应用。13世纪风车传至欧洲，14世纪已成为欧洲不可缺少的原动机。在荷兰风车先用于莱茵河三角洲湖地和低湿地的汲水，以后又用于榨油和锯木。只是由于蒸汽机的出现，才使欧洲风车数目急剧下降。13 1973年世界石油危机以来，在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为新能源的一部分才重新有了长足的发展。美国早在1974年就开始实行联邦风能计划。在瑞典、荷兰、英国、丹麦、德国、日本、西班牙，也根据各自国家的情况制定了相应的风力发电计划。我国位于亚洲大陆东南、濒临太平洋西岸，季风强盛。季风是我国气候的基本特征，如冬季季风在华北长达6个月，东北长达7个月。东南季风则遍及我国的东半壁。根据国家气象局估计，全国风力资源的总储量为每年16亿kW，近期可开发的约为1.6亿kW，内蒙古、青海、黑龙江、甘肃等省风能储量居我国前列，年平均风速大3ms的天数在200天以上。14 我国风力机的发展，在50年代末是各种木结构的布篷式风车，1959年仅江苏省就有木风车20多万台。到60年代中期主要是发展风力提水机。70年代中期以后风能开发利用列入“六五”国家重点项目，得到迅速发展。进入80年代中期以后，我国先后从丹麦、比利时、瑞典、美国、德国引进一批中、大型风力发电机组。在新疆、内蒙古的风口及山东、浙江、福建、广东的岛屿建立了8座示范性风力发电场。1992年装机容量己达8MW。新疆的达坂城的风力发电场装机容量已达3300kW，是全国目前最大的风力发电场。至1990年底全国风力提水的灌溉面积已达2.58万亩、1997年新增风力发电10万kW。目前我国已研制出100多种不同型式、不同容量的风力发电机组，并初步形成了风力机产业。尽管如此，与发达国家相比，我国风能的开发利用还相当落后，不但发展速度缓慢而且技术落后，远没有形成规模。15 风力机的用途主要是用于风力提水、风力发电、风帆助航、风力制热。(1)风力提水：一类是高扬程小流量，它与活塞泵相配提取地下水；另一类是低扬程大流量，它与螺旋泵相配提取湖水或海水。(2)风力发电：一是独立运行方式；二是风力发电与其它发电方式相结合；三是风力发电并入常规电网运行。（3）风帆助航：日本在万吨级货船上采用电脑控制的风帆助航，节油率达15%16（4）风力制热：是将风能转换成热能。目前有三种转换方法。一是风力机发电.二是由风力机将风能转换成空气压缩能，再转换成热能 三是将风力机直接转换成热能 风力机直接转换热能也有多种方法。最简单的是搅拌液体致热，即风力机带动搅拌器转动，从而使液体(水或油)变热(见图10)。17 液体挤压致热”是用风力机带动液压泵，使液体加压后再入狭小的阻尼小孔中高速喷出而使工作液体加热。此外还有固体摩擦致热和涡电流致热等方法。风力机还有多种用途，表4给出了风能利用装置的不同用途、它们的类型和大小。1819风力发电风力发电通常有三种运行方式：一是独立运行方式，它用蓄电池蓄能，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；三是风力发电并入常规电网运行。201986年，我国山东荣成建成了第一个风电场，安装了3台55KW风电机组，自此之后，全国各地陆续建成了一批风电场，成为世界上风电装机增速最快的国家之一，截止到2007年底全国累计装机约600万KW。2008年8月，中国风电装机总量已经达到700万KW，占中国发电总装机容量的1%，位居世界第五，这也意味着中国已进入可再生能源大国行列。从各地区发展来看，截止到2009年12月31日，中国风电累计装机超过1000MW的省份超过9个，其中超过2000MW的省份有4个，分别是内蒙古（9196.2MW），河北（2788.1MW），辽宁（2425.3MW）和吉林（2063.9MW）。内蒙古2009年当年新增装机5545.2MW，实现150%的大幅度增长，但我国绝大多数机组是从丹麦、德国、美国、比利时和瑞典等国引进的。21风机和风场风机和风场22风力泵水风力泵水从古至今一直得到较普遍的应用。现代风力泵水机根据用途可以分为两类：一类是高扬程小流量的风力泵水机，它与活塞泵相配提取深井地下水，主要用于草原、牧区，为人畜提供饮水；另一类是低扬程大流量的风力泵水机，它与螺旋泵相配，提取河水、湖水或海水，主要用于农田灌溉、水产养殖或制盐。2324风帆助航在机动船舶发展的今天，为节约燃油和提高航速，古老的风帆助航也得到了发展。25风力致热“风力致热”是将风能转换成热能。目前有三种转换方法：一是风力机发电，再将电能通过电阻丝发热，变成热能；二是由风力机将风能转换成空气压缩能，再转换成热能；三是将风力机直接转换成热能。第三种方法致热效率最高。26三风力机1风力机的运行原理 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。当桨叶(横截面锥形、水滴状)前缘以个很小的角度朝着来风方向时，桨叶上产生升力。升力产生的原因是由于空气在桨叶的上下两面绕流的距离不同而导致的空气压力的不同。如果桨叶的迎角太大，风将对迎风面产生推力，从而在风向上起到阻力的作用，而不是对桨叶的升力。当阻力相对于升力太大时，风轮机将发生停转，就像飞机的机翼也会失速一样。27(a)单叶片；(b)双叶片；(c)三叶片；(d)美国农场式多叶片风车；(e)车轮式多叶片风车；(f)迎风式；(g)背风式；(h)空心压差式；(i)帆翼式；(j)多转子；(k)反转叶片式2风力机的分类风力机的类型很多，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。（1）水平轴风力机 水平铀风力机是目前国内外最常见的一种风力机。图11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。28(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帆那样采用迎风装置，但其输出功率一般比水平轴风力机小。图12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。图13绐出了各种不同用途风力机各主要构成部分的能量转换和贮存效率。图 12 各种不同垂直轴风力机示意图(a)竖轴风机(阻力型)；(b)竖轴风机(升力型)1S型；2多叶片型；3开裂式S型；4平板式；5型达里厄；6型达里厄；7旋翼型2930风力发电机一般由风轮、发电机、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构和储能装置等组成。风轮是集风装置，作用是把流动空气具有的动能转变为风轮旋转的机械能。发电机有三种：直流发电机、同步交流发电机、异步 交流发电机。调向器的功能是使风力发电机的风轮随时都迎着风向，从而能最大限度地获取风能。风力发电机几乎全部是用尾翼来控制风轮的迎风方向的。尾翼材料通常为镀锌薄钢板。31限速安全机构是用来保证风力发电机安全运行的。使风力发电机风轮的转速在一定的范围内基本保持不变。塔架是风力发电机的支撑机构，一般由角钢或圆钢组成桁架结构。风力发电不稳定，不能直接用在电器上，用铅酸蓄电池储存起来。风力发电输出1325V的交流电，经充电器整流再对蓄电池充电，电能变成化学能。再用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能变成220V的交流市电，才能稳定使用。32 风力发电的功率并非完全由风力发电机的功率决定的。目前的风力发电机只是给电瓶充电，而由电瓶储存起来，人们最终使用的电功率大小与电瓶大小有更密切关系。在内陆地区，小的风力发电机比大 的更合适。因为它更容易被小风量带动而发电，持续不断的小风比狂风更能供给较大的能量。一台200W的风力发电机，也可以通过配合使用大电瓶与逆变器，获得500W甚至1000W或更大的功率输出。33风能优点风能蕴藏量大，分布广；不枯竭，可再生，无污染，是一种可就地利用而且干净的能源。3435风能缺点受地理环境、季节、昼夜等因素的影响，要充分、有效地利用风能比较困难，需要综合运用高新技术。就学科而言，它涉及空气动力学、电机学、结构力学、材料学、气象学和控制论等。36海上风力发电挪威建 了首台悬浮式风力发电机。在海水下的部分被安装在100多米的浮标上，并通过三根锚索固定在海下120700米深处，以便它随风移动，迎风发电。该发电机功率为2.3MW，其叶片直径为80米，相当于一个标准足球场的长度。发电机机舱高出海平面约65米，浮置式的发电设备安装在浮标上。是通过轮船上的吊车在海上一点点搭建组装而成的。中国目前还是空白。37高空风力发电w高空风能巨大而稳定。在距地面50012000米的高空中，有足够世界使用的风能。高空风力发电两种模式：一种是在空中建造发电站，在高空发电，然后通过电缆输送到地面；另一种是在高空建设传动设备，将风能转化为机械能后直接输送到地面，再由发电机将其转换为电。高空发电可以24h持续供电，不象太阳能发电那样需要储电设备。38低风速风力发电技术在海拔10米的高度上年平均风速不超过5.8m/s，相当于4级风。这种平原内陆地区面积大，蕴藏巨大风能资源。这种地方风力发电要进行改进：（1）尽量增大转子直径；（2）尽量增加塔架高度；（3）提高发电设备及动力装置效率。39涡轮风力发电技术新西兰研制出一种新型风力发电用涡轮机，这种涡轮机用一个罩子罩着涡轮机叶片，以产生低压区，使它能够以相当于正常速度3倍的速度吸入流过叶片的气流。有罩的涡轮机比无罩的涡轮机输出功率大6倍以上。该风力发电机安装有7.3米长的叶片，整机可达21层楼的高度，每台涡轮机额定功率达3MW，10台这样的发电机可为1.5万个家庭提供每年所需电能。海上安装效果更好。40风能利用现状2011年全球新增风 电装机容量达到40564MW，年增长20%。2011年新增装机容量排名：中国（17631MW）、美国（6810MW）、印度、德国、英国、加拿大、西班牙、意大利、法国、瑞典（763MW）。年增加1GW的有7个。全球风电累计市场排名：中国（62364MW）、美国（46919MW）、德国、西班牙、印度、法国、意大利、英国、加拿大、葡萄牙（4083MW）。41我国风电现状2011年，全国风电上网电量达715亿度电，占全国发电量的1.5%。按每度电替代320g标准煤计算，可替代标准煤2200万吨，减少SO2排放量约36万吨，减少CO2排放量7000万吨，节能减排效果显著。按每户年 均用电量1500度电计，中国2011年风电的上网用电可满足4700万户居民的用电量需求。2011年底，风电累计装机容量过1GW的省份超过10个，超过2GW的有9个。最高的是内蒙，累计容量17.59GW，占全国的21%。42国家政策支持德国：以当地电力公司销售价格的90%作为风电上网价格。以固定价格全部收购。在日本福岛核危机后决定于2022年结束核电产业。要求到2020年可再生能源发电达35%，2030年50%，2040年65%，2050年80%。美国：激励补贴计划和财税优惠并举，可再生能源配额制。2010年每度电补2.2美分。丹麦：计划2020年可再生能源达35%，2050年达100%。2020年50%采用风电。43风力发电的发展趋势1.机组容量快速稳步上升。国内生产1.5MW以下的风力发电机组较多。兆瓦级的主要靠进口。目前华创风能有限公司生产出3.0MW双馈风力发电机组。2.变桨距调节方式将逐步成为主流。变桨距风力发电技术是通过调节桨距，使风力机叶片的安装角随风速的变化而变化，机组启动性好，输出功率稳定，机组结构受力小，停机方便安全，适用于大功率机组。而中小型风力发电机采用定桨距失速调节。443.从恒速运行方式走向变速运行方式。恒速运行转速不变得到与电网频率一致的恒频电源，采用的是同步发电机和鼠笼式感应电机，风能利用率低。而变速运行时电机转速可随风速变化，通过其它控制方式来得到恒频电源，一般采用双馈异步发电机。4.直驱式无齿轮箱系统的市场份额迅速扩大。从风力机到发电机有三种驱动方式：一是通过齿轮箱多级变速驱动双馈异步发电机，是目前主流产品；二是风机直接驱动多极同步发电机，具有节约投资、减少传动损失、维护费用低、可靠性高等优点，份额越越大；三是单级增速装置加多极发电技术，介于前两者之间，融合两者的优点而避免缺点。5.风力发电成本将大幅降低。6.海上风电场飞速发展。45风机叶片材料叶片是风力机的关键部件之一，对于500KW2.5MW的风力机，叶片长13.539米，世界上最大的5MW的风力机的叶片长61.5米，单片叶片的质量接近18吨。叶片占风力发电整个装置成本的1520%。目前叶片主要材料是碳纤维。碳纤维是指含碳量在90%以上的高强度、高模量纤维。耐热好，质量轻（比铝轻），强度高（比钢硬），还不生锈。但价格较贵。46润滑油润滑油用于齿轮箱、发电机轴承、偏航系统轴承和齿轮、液压刹车系统和主轴承。齿轮箱用油量占风力发电机用油量的3/4左右。齿轮箱可以将很低的风轮转速（通常为27r/min）变为很高的发电机转速（1500r/min）。齿轮油要求具有良好的抗压耐磨性能、冷却性能、清洗性能、热氧化稳定性、水解安全性、抗乳化性能、黏温性能、低温性能，以及长的使用寿命，低摩擦系数47涂料叶片末端风力可达300km/h，紫外 线、海水、大风、污染对叶片构成很大腐蚀。按主流1.5MW级设备来计算，一个风机的3个叶片使用300kg的涂料，相应的机架需要600kg涂料，黏合剂用量也在600kg左右。涂料的作用是提供光滑的空气动力学表面，防止叶片被紫外线除解、湿气侵蚀和风沙磨蚀。48