風(fēng)能利用技術(shù)-chapt1

1、知識豐富生命！知識就是力量！課程簡介 “風(fēng)能利用技術(shù)”課程將以風(fēng)力發(fā)電機(jī)為介紹的重點(diǎn)，著重講述風(fēng)力發(fā)電機(jī)的氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的相關(guān)技術(shù)問題。使學(xué)生了解四個(gè)方面的主要知識點(diǎn)： 1、如何去評估風(fēng)能資源； 2、設(shè)計(jì)合理的風(fēng)葉外形； 3、設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)； 4、風(fēng)力發(fā)電的入網(wǎng)技術(shù)。評分標(biāo)準(zhǔn) 作業(yè) 40% （4次作業(yè)） 考查 50% （開卷，1小時(shí)） 考勤 10% 課程計(jì)劃 風(fēng)能資源的評估 2 風(fēng)力機(jī)基本理論 2 水平軸風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì) 6 水平軸風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6 風(fēng)力發(fā)電技術(shù) 4 風(fēng)力提水、制熱及風(fēng)能存儲 2 垂直軸風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)原理 自學(xué)風(fēng)力發(fā)電的設(shè)計(jì)過程 問題1：如果要在動(dòng)力樓樓頂安裝一臺

2、風(fēng)力發(fā)電機(jī)，提供的電力，用于動(dòng)力樓507房間的電腦、空調(diào)等使用，我們?nèi)绾蝸碓O(shè)計(jì)？風(fēng)能機(jī)械能電能風(fēng)力機(jī)風(fēng)力機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)關(guān)鍵設(shè)計(jì)過程有多大風(fēng)？風(fēng)向如何？樓頂?shù)闹胁亢瓦吘壍胤侥膫€(gè)地方風(fēng)比較大？選擇多少片的風(fēng)輪？多大的直徑？安裝角？風(fēng)力機(jī)葉片的安裝？塔架、機(jī)艙的結(jié)構(gòu)？如何把電力轉(zhuǎn)換到220v，50Hz？沒有電的時(shí)候怎么辦？電多了怎么辦？ 評估風(fēng)能資源 氣動(dòng)性能設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 發(fā)電技術(shù)第一章 風(fēng)能資源的評估 風(fēng)的形成 風(fēng)的測量和等級 理論可用風(fēng)能和有效可用風(fēng)能 風(fēng)能的評估方式 中國風(fēng)能資源的分布1.1風(fēng)的形成1.1風(fēng)的形成 地球表面上，受太陽加熱的空氣較輕，上升到高空，冷卻的空氣較重，傾向于去補(bǔ)充上升

3、的空氣，這就導(dǎo)致了空氣的流動(dòng)風(fēng)。 全球性氣流、海風(fēng)與陸風(fēng)、山谷風(fēng)的形成也是如此。山風(fēng)山風(fēng)谷風(fēng)谷風(fēng)引起空氣流動(dòng)的力 空氣的流動(dòng)就形成了風(fēng)，引起空氣流動(dòng)的力主要有：氣壓梯度力、地轉(zhuǎn)偏向力、離心力、摩擦力。 氣壓梯度力 特點(diǎn)：指向低壓區(qū)；等壓線一般不能中斷、不會與不等值的線交叉。 等壓線越稀，氣壓梯度力越小。1gpFn 14020gpaFm 14010gpaFm 地轉(zhuǎn)偏向力 空氣相對于地面運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生；力的方向與空氣運(yùn)動(dòng)方向垂直；在北半球，指向空氣運(yùn)動(dòng)的右方。2sinaFvFa離心力 指向圓周的外側(cè)2cvFrvFc北半球氣旋的梯度風(fēng)vFcFgFa低壓vFcFaFg高壓（氣壓梯度力一定與地轉(zhuǎn)偏向力反向）

4、二力平衡 三力平衡：Fg Fa Fc 梯度風(fēng) 二力平衡：A地轉(zhuǎn)風(fēng)（Fg與Fa平衡）B慣性運(yùn)動(dòng)（Fa與Fc平衡，v很小，忽略）C旋衡運(yùn)動(dòng)（Fg與Fc平衡，如龍卷風(fēng)，僅發(fā)生在低壓氣旋，可以是逆時(shí)針，也可以是順時(shí)針）北半球的低氣壓與高氣壓氣旋 低氣壓（逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)）：在中心區(qū)域是低壓的情形下，受氣壓梯度力的作用，氣流從圓周外向圓心運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)又受到地轉(zhuǎn)偏向力的作用，使得氣流向右手邊發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因而形成逆時(shí)針方向的旋轉(zhuǎn)。 高氣壓（順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)）低壓高壓1.2風(fēng)的測量 旋轉(zhuǎn)式：風(fēng)杯、旋槳（轉(zhuǎn)速來衡量） 壓力式：皮托管（總壓與靜壓的壓差） 熱線風(fēng)速儀：（恒溫式、恒流式）1.2風(fēng)的等級風(fēng)級名稱相應(yīng)風(fēng)速(

5、m/s)表現(xiàn)0無風(fēng)0-0.2零級無風(fēng)炊煙上1軟風(fēng)0.3-1.5一級軟風(fēng)煙稍斜2輕風(fēng)1.6-3.5二級輕風(fēng)樹葉響3微風(fēng)3.4-5.4三級微風(fēng)樹枝晃4和風(fēng)5.5-7.9四級和風(fēng)灰塵起5清勁風(fēng)8-10.7五級清風(fēng)水起波6強(qiáng)風(fēng)10.8-13.8六級強(qiáng)風(fēng)大樹搖7疾風(fēng)13.9-17.1七級疾風(fēng)步難行8大風(fēng)17.2-20.7八級大風(fēng)樹枝折9烈風(fēng)20.8-24.4九級烈風(fēng)煙囪毀10狂風(fēng)24.5-28.4十級狂風(fēng)樹枝拔11暴風(fēng)28.5-32.6十一級暴風(fēng)陸罕見12颶風(fēng)32.6十二級颶風(fēng)浪滔天1.3理論可用風(fēng)能 密度為rho，速度為v，在時(shí)間t內(nèi)垂直流過截面F的空氣所具有的動(dòng)能（風(fēng)能）： 風(fēng)能密度：單位時(shí)間垂直流

6、過單位截面積的風(fēng)能： 平均風(fēng)能密度： 理論可用風(fēng)能：風(fēng)能X轉(zhuǎn)化率Cp231122EmvFtv312wvFvvv302Twv dtT1.3有效可用風(fēng)能 風(fēng)由微速增加到“啟動(dòng)風(fēng)速(切入風(fēng)速)A”，風(fēng)力機(jī)才能開始轉(zhuǎn)動(dòng)；風(fēng)速繼續(xù)增加，逐漸提高輸出功率，到了額定風(fēng)速B時(shí)，再提高風(fēng)速功率也不會增加；當(dāng)風(fēng)速增加到順槳風(fēng)速(切出風(fēng)速) C或停機(jī)風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)要停機(jī)。因此并不是所有的風(fēng)能都能夠被風(fēng)力機(jī)利用和輸出。twABC1.4風(fēng)能的評估方式 將某地一年的氣象資料統(tǒng)計(jì)出來，可以畫出年風(fēng)速-時(shí)間曲線（橫軸為風(fēng)速，以1m/s為間隔，縱軸為相應(yīng)風(fēng)速出現(xiàn)的時(shí)間），縱軸除以總測量時(shí)間就可以畫出風(fēng)頻分布。時(shí)刻風(fēng)速(m/s)

7、8:303.19:302.710:304.511:306.312:308.11.4 風(fēng)能的評估方式 對于風(fēng)頻曲線，可以用數(shù)學(xué)線型來進(jìn)行擬合和描述。通常有威布爾分布（需要確定A、C）、瑞利分布（C=2）、對數(shù)正態(tài)分布等。1( )CCvACvf veAA方法一：用最小二乘法方法二：用風(fēng)速均值與均方差方法三：用風(fēng)速均值和最大值用最小二乘法確定AC已知離散的風(fēng)速vi（i=1n）和對應(yīng)的風(fēng)頻fiStep1:計(jì)算累計(jì)風(fēng)頻pi（i=1n）p1=f1; p2=p1+f2; p3=p2+f3; Step2:計(jì)算xi與yixi=ln(vi); yi=ln-ln(1-pi);Step3:計(jì)算a 與 bStep4:確

8、定AC22222iiiiiiiiiiiiixyxx yxynx yabnxxnxx ()abAeCbP16表1-3的擬合曲線（直方圖-原始數(shù)據(jù)；實(shí)線-最小二乘法；虛線-風(fēng)速均值和均方差）高度的變化 某地一定高度的威布爾分布已知，則可以由此推出另一高度上的風(fēng)頻分布。00nAHAH001 0.088ln 0.11 0.088ln 0.1HCCH000.370.088ln1 0.088ln 0.1AnH紊流、陣風(fēng)與障礙物 紊流（風(fēng)速的微變）：標(biāo)準(zhǔn)差/風(fēng)速的平均值； 陣風(fēng)（風(fēng)速的突變）：最大風(fēng)速/風(fēng)速平均值； 障礙物：風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般需要遠(yuǎn)離障礙物（20倍障礙物高度）；如果風(fēng)葉下沿高于障礙物3倍高度以上

9、時(shí)，可以忽略障礙物的影響。風(fēng)場選擇 風(fēng)能資源豐富； 穩(wěn)定的盛行風(fēng)向；風(fēng)葉上氣流分布均勻； 避開災(zāi)害性頻發(fā)地帶（地震、臺風(fēng)、大雪）；遠(yuǎn)離建筑物； 在平坦區(qū)域要選擇地面粗糙程度較低的地方，地面坡度小于1：30； 中國并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電行業(yè)發(fā)展歷程第一階段：1986-1990探索和示范階段。項(xiàng)目規(guī)模小、單機(jī)容量小。共建了4個(gè)風(fēng)電廠，最大單機(jī)容量200kw.第二階段：1991-1995示范項(xiàng)目取得成效并逐步推廣。共建了5個(gè)風(fēng)電廠，最大單機(jī)容量500kw.第三階段：1996后，擴(kuò)大建設(shè)規(guī)模階段。最大單機(jī)容量1300kw. 到2002年底，全國共有32個(gè)風(fēng)電場。中國風(fēng)能資源分布廣東省南澳廣東省南澳：風(fēng)力機(jī)：風(fēng)力

10、機(jī)132臺臺,總裝機(jī)容量達(dá)總裝機(jī)容量達(dá)5.7萬千瓦萬千瓦達(dá)坂城風(fēng)電場：達(dá)坂城風(fēng)電場：風(fēng)電機(jī)組風(fēng)電機(jī)組157臺臺,總?cè)萘靠側(cè)萘?.28萬千瓦萬千瓦輝騰錫勒風(fēng)電場：輝騰錫勒風(fēng)電場：規(guī)劃容量規(guī)劃容量120萬千瓦萬千瓦在德國Buettstedt風(fēng)電場內(nèi)，共安裝了22臺Enercon E-66（1800kw）和4臺E-40（500kw），計(jì)26臺風(fēng)電機(jī)，41.6兆瓦的功率。第一章 習(xí)題 1、畫出南半球低氣壓和高氣壓梯度風(fēng)的受力圖，畫出并解釋低氣壓氣旋方向及成因？ 2、已知某處風(fēng)速隨時(shí)間的變化關(guān)系近似為：v=20*abs(sin(2*pi*t/10)，風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速10m/s，額定風(fēng)速15m/s，順槳風(fēng)速

11、18m/s，空氣密度為1.2kg/m3：(a)計(jì)算010秒鐘的平均風(fēng)能密度？(b)在(w-t)圖中畫出有效可用風(fēng)能的分布示意圖？ 3*、編寫Matlab程序求解表1-3中的威布爾參數(shù)（用最小二乘法和風(fēng)速均值方法）。習(xí)題答案 1南半球的梯度風(fēng)如下圖所示：在中心區(qū)域是低壓的情形下，受氣壓梯度力的作用，氣流從圓周外向圓心運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)又受到地轉(zhuǎn)偏向力的作用，使得氣流向左手邊發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因而形成逆時(shí)針方向的旋轉(zhuǎn)。vFcFgFa低壓vFcFaFg高壓低壓習(xí)題答案 2301030532052052012113121.220sin 2/102 101.2 202sin 2/1010960sin 2/10cos

12、 2/102109601 cos 2/10cos 2/102109601210960/32960Twv dtTtdttdttdttdtxdxxx 210464002037(/)23Wm 習(xí)題答案 2習(xí)題答案3% 此程序用于求解威布爾分布中的兩個(gè)參數(shù)來擬合風(fēng)頻分布。% vf.dat數(shù)據(jù)格式為兩列，第一列為離散的風(fēng)速（遞增），第二列為相應(yīng)的風(fēng)頻數(shù)據(jù)。clear;data=load(vf.dat);v=data(:,1);f=data(:,2);n=length(f);%-% -采用最小二乘法A(a1)C(c1)p(1)=f(1);for i=2:n p(i)=f(i)+p(i-1);endfor

13、i=1:n x(i)=log(v(i); y(i)=log(-log(1.-p(i);enda=(sum(x.2)*sum(y)-sum(x)*sum(x.*y)/(n*sum(x.2)-sum(x)2);b=(-sum(x)*sum(y)+n*sum(x.*y)/(n*sum(x.2)-sum(x)2);a1=exp(-a/b);c1=b;% -采用風(fēng)速均值和標(biāo)準(zhǔn)差A(yù)(a2)C(c2)mu=sum(v.*f);d=sum(v-mu).2.*f);sigma=sqrt(d);c2=(sigma/mu)(-1.086);a2=mu/0.889;%-習(xí)題答案3%-繪圖部分-clf;xx=0:0.2:34;yy=c1/a1*(xx./a1).(c1-1).*exp(-(xx./a1).c1);plot(xx,yy,r-,linewidth,3);hold on;yy=c2/a2*(xx./a2).(c2-1).*exp(-(xx./a2).c2);plot(xx,yy,b-,linewidth,3);hold on;plot(0,0,0.45,0.45,0,f(1),f(1),0,k-,linewidth,2);hold on;dv=v(3)-v(2);for i=2:n plot(v(i)-dv/2.,v(i)-dv/2.,v(i)+dv/2.,v(i)+dv/2.,0,f(i