清潔能源概論7風(fēng)能

風(fēng)能概述風(fēng)況風(fēng)能利用風(fēng)力機(jī)1一、概述風(fēng)的產(chǎn)生風(fēng)是地球上的一種自然現(xiàn)象，它是由太陽輻射熱引起的。太陽照射到地球表面，地球表面各處受熱不同，產(chǎn)生溫差，從而引起大氣的對(duì)流運(yùn)動(dòng)形成風(fēng)。2一、概述風(fēng)能總量據(jù)估計(jì)，到達(dá)地球的太陽能中雖然只有大約2％轉(zhuǎn)化為風(fēng)能，但其總量仍是十分可觀的。全球的風(fēng)能約為2.74l09MW，其中可利用的風(fēng)能為2107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。3一、概述風(fēng)能利用的歷史人類利用風(fēng)能的歷史可以追溯到公元前。我國是世界上最早利用風(fēng)能的國家之一。公元前數(shù)世紀(jì)我國人民就利用風(fēng)力提水、灌溉、磨面、舂米，用風(fēng)帆推動(dòng)船舶前進(jìn)。到了宋代更是我國應(yīng)用風(fēng)車的全盛時(shí)代，當(dāng)時(shí)流行的垂直軸風(fēng)車，一直沿用至今。我國歷史上著名的科學(xué)著作《天工開物》中記載的“揚(yáng)郡以風(fēng)帆數(shù)扇，俟風(fēng)轉(zhuǎn)車，風(fēng)息則止”，《物理小識(shí)》中描述的“用風(fēng)帆6幅、車水增田，淮揚(yáng)海填皆為之”是對(duì)當(dāng)時(shí)水平軸風(fēng)車應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的忠實(shí)寫照。45一、概述在國外，公元前2世紀(jì)，古波斯人就利用垂直軸風(fēng)車碾米。10世紀(jì)伊斯蘭人用風(fēng)車提水，11世紀(jì)風(fēng)車在中東已獲得廣泛的應(yīng)用。13世紀(jì)風(fēng)車傳至歐洲，14世紀(jì)已成為歐洲不可缺少的原動(dòng)機(jī)。在荷蘭，風(fēng)車先用于萊茵河三角洲湖地和低濕地的汲水，以后又用于榨油和鋸木。只是由于蒸汽機(jī)的出現(xiàn)，才使歐洲風(fēng)車數(shù)目急劇下降。67一、概述數(shù)千年來，風(fēng)能技術(shù)發(fā)展緩慢，也沒有引起人們足夠的重視。但自1973年世界石油危機(jī)以來，在常規(guī)能源告急和全球生態(tài)環(huán)境惡化的雙重壓力下，風(fēng)能作為新能源的一部分才重新有了長足的發(fā)展。風(fēng)能作為一種無污染和可再生的新能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿Γ貏e是對(duì)沿海島嶼，交通不便的邊遠(yuǎn)山區(qū)，地廣人稀的草原牧場(chǎng)，以及遠(yuǎn)離電網(wǎng)和近期內(nèi)電網(wǎng)還難以達(dá)到的農(nóng)村、邊疆，作為解決生產(chǎn)和生活能源的一種可靠途徑，有著十分重要的意義。8一、概述即使在發(fā)達(dá)國家，風(fēng)能作為一種高效清潔的新能源也日益受到重視。美國早在1974年就開始實(shí)行聯(lián)邦風(fēng)能計(jì)劃。其內(nèi)容主要是：評(píng)估國家的風(fēng)能資源；研究風(fēng)能開發(fā)中的社會(huì)和環(huán)境問題；改進(jìn)風(fēng)力機(jī)的性能，降低造價(jià)；主要研究為農(nóng)業(yè)和其他用戶用的小于100kW的風(fēng)力機(jī)；為電力公司及工業(yè)用戶設(shè)計(jì)的兆瓦級(jí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。美國已于80年代成功地開發(fā)了100、200、2000、2500、6200、7200kW的6種風(fēng)力機(jī)。9一、概述目前美國已成為世界上風(fēng)力機(jī)裝機(jī)容量最多的國家，超過2104MW，每年還以10％的速度增長。現(xiàn)在世界上最大的新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已在夏威夷島建成運(yùn)行，其風(fēng)力機(jī)葉片直徑為97.5m，重144t，風(fēng)輪迎風(fēng)角的調(diào)整和機(jī)組的運(yùn)行都由計(jì)算機(jī)控制，年發(fā)電量達(dá)1000萬kW·h。根據(jù)美國能源部的統(tǒng)計(jì)至1990年美國風(fēng)力發(fā)電已占總發(fā)電量的1％，發(fā)電成本也從3美分/(kW.h)降至1美分/(kW.h)。10一、概述我國位于亞洲大陸東南、瀕臨太平洋西岸，季風(fēng)強(qiáng)盛。季風(fēng)是我國氣候的基本特征，如冬季季風(fēng)在華北長達(dá)6個(gè)月，東北長達(dá)7個(gè)月。東南季風(fēng)則遍及我國的東半壁。根據(jù)國家氣象局估計(jì)，全國風(fēng)力資源的總儲(chǔ)量為每年16億kW，近期可開發(fā)的約為1.6億kW；內(nèi)蒙古、青海、黑龍江、甘肅等省風(fēng)能儲(chǔ)量居我國前列，年平均風(fēng)速大于3m/s的天數(shù)在200天以上。

11一、概述我國風(fēng)力機(jī)的發(fā)展在50年代末是各種木結(jié)構(gòu)的布篷式風(fēng)車，1959年僅江蘇省就有木風(fēng)車20多萬臺(tái)。到60年代中期主要是發(fā)展風(fēng)力提水機(jī)。70年代中期以后風(fēng)能開發(fā)利用列入“六五”國家重點(diǎn)項(xiàng)目，得到迅速發(fā)展。上世紀(jì)80年代中期以后我國先后從丹麥、比利時(shí)、瑞典、美國、德國引進(jìn)一批中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。在新疆、內(nèi)蒙古的風(fēng)口及山東、浙江、福建、廣東的島嶼建立了8座示范性風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。1992年裝機(jī)容量已達(dá)8MW。12一、概述新疆達(dá)坂城的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)裝機(jī)容量已達(dá)3300kw，是全國目前最大的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。至1990年底全國風(fēng)力提水的灌溉面積已達(dá)2.58萬畝。1997年新增風(fēng)力發(fā)電10萬kW。目前我國已研制出100多種不同型式、不同容量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并初步形成了風(fēng)力機(jī)產(chǎn)業(yè)。目前，我國風(fēng)電裝機(jī)容量約有100萬千瓦。根據(jù)國家發(fā)改委的能源中長期發(fā)展規(guī)劃，到2010年，我國風(fēng)電裝機(jī)容量要達(dá)到500萬千瓦，“十一五”期間，全國新增風(fēng)電裝機(jī)容量約400萬千瓦，未來5年內(nèi)平均每年要增加80萬千瓦。13全國風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)概況2006.614盡管如此，與發(fā)達(dá)國家相比，我國風(fēng)能的開發(fā)利用還相當(dāng)落后，不但發(fā)展速度緩慢而且技術(shù)落后，遠(yuǎn)沒有形成規(guī)模。21世紀(jì)我國應(yīng)在風(fēng)能的開發(fā)利用上加大投入力度，使高效清潔的風(fēng)能能在我國能源的格局中占有應(yīng)有的地位。一、概述15二、風(fēng)況風(fēng)的形成

風(fēng)的變化

(1)風(fēng)隨時(shí)間的變化

(2)風(fēng)隨高度的變化

(3)風(fēng)的隨機(jī)性變化

(4)風(fēng)玫瑰圖風(fēng)力等級(jí)風(fēng)況曲線16二、風(fēng)況1.風(fēng)的形成對(duì)人類來說，風(fēng)是最熟悉的自然現(xiàn)象。要了解風(fēng)的形成必須了解包圍著地球的大氣的運(yùn)動(dòng)。大氣的流動(dòng)也像水流一樣是從壓力高處往壓力低處流。太陽能正是形成大氣壓差的原因。由于地球自轉(zhuǎn)軸與圍繞太陽的公轉(zhuǎn)軸之間存在66.5。的夾角，因此對(duì)地球上不同地點(diǎn)，太陽照射角度是不同的，而且對(duì)同一地點(diǎn)一年365天中這個(gè)角度也是變化的。地球上某處所接受17二、風(fēng)況的太陽輻射能正是與該地點(diǎn)太陽照射角的正弦成正比。地球南北極接受太陽輻射能少，所以溫度低，氣壓高；而赤道接受熱量多，溫度高，氣壓低。另外地球又繞自轉(zhuǎn)軸每24小時(shí)旋轉(zhuǎn)一周，溫度、氣壓晝夜變化。由于地球表面各處的溫度、氣壓變化，氣流就會(huì)從壓力高處向壓力低處運(yùn)動(dòng)，而形成不同方向的風(fēng)，并伴隨不同的氣象變化。18二、風(fēng)況地形地貌也會(huì)影響風(fēng)的形成如海邊，由于海水熱容量大，接受太陽輻射能后，表面升溫慢，陸地?zé)崛萘啃?，升溫比較快。于是在白天，由于陸地空氣溫度高，空氣上升而形成海面吹向陸地的海陸風(fēng)。反之在夜晚，海水降溫低，海面空氣溫度高，空氣上升而形成由陸地吹向海面的陸海風(fēng)。19(a)白晝海陸風(fēng)海陸風(fēng)的形成(b)夜間陸海風(fēng)20二、風(fēng)況同樣在山區(qū)，白天太陽使山上空氣溫度升高，隨著熱空氣上升，山谷冷空氣隨之向上運(yùn)動(dòng)，形成“谷風(fēng)”。相反到夜間，空氣中的熱量向高處散發(fā)，氣體密度增加，空氣沿山坡向下移動(dòng)，又形成所謂“山風(fēng)”。21山谷風(fēng)

(b)白天“谷風(fēng)”

(a)夜間“山風(fēng)”

22二、風(fēng)況2.風(fēng)的變化(1)風(fēng)隨時(shí)間的變化風(fēng)隨時(shí)間的變化，包括每日的變化和季節(jié)的變化。通常一天之中風(fēng)的強(qiáng)弱在某種程度上可以看作是周期性的。如地面上夜間風(fēng)弱，白天風(fēng)強(qiáng)；高空中正相反是夜里風(fēng)強(qiáng)，白天風(fēng)弱。這個(gè)逆轉(zhuǎn)的臨界高度約為100150m。23日本川口國際廣播電臺(tái)的無線電鐵塔上測(cè)得的不同高度處，一天內(nèi)的風(fēng)速變化24二、風(fēng)況由于季節(jié)的變化，太陽和地球的相對(duì)位置也發(fā)生變化，使地球上存在季節(jié)性的溫差。因此風(fēng)向和風(fēng)的強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生季節(jié)性變化。我國大部分地區(qū)風(fēng)的季節(jié)性變化情況是：春季最強(qiáng)，冬季次之，夏季最弱。當(dāng)然也有部分地區(qū)例外，如沿海溫州地區(qū)，夏季季風(fēng)員強(qiáng)，春季季風(fēng)最弱。25二、風(fēng)況(2)風(fēng)隨高度的變化從空氣運(yùn)動(dòng)的角度，通常將不同高度的大氣層分為三個(gè)區(qū)域。離地面2m以內(nèi)的區(qū)域稱為底層；2-100m的區(qū)域稱為下部摩擦層，二者總稱為地面境界層；從100-1000m的區(qū)段稱為上部摩擦層，以上三區(qū)域總稱為摩擦層。摩擦層之上是自由大氣。26大氣層的構(gòu)成27二、風(fēng)況地面境界層內(nèi)空氣流動(dòng)受渦流、黏性和地面植物及建筑物等的影響，風(fēng)向基本不變，但越往高處風(fēng)速越大。各種不同地面情況下，城市、鄉(xiāng)村和海邊平地，其風(fēng)速隨高度的變化如下圖所示。28不同地面上風(fēng)速和高度的關(guān)系29關(guān)于風(fēng)速隨高度而變化的經(jīng)驗(yàn)公式很多：通常采用所謂指數(shù)公式，即

m/s(4-1)式中v—距地面高度為h處的風(fēng)速，m/s；v1—高度為h1處的風(fēng)速，m/s；n—經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，它取決于大氣穩(wěn)定度和地面粗糙度，其值約為1/2～1/80。二、風(fēng)況30二、風(fēng)況對(duì)于地面境界層，風(fēng)速隨高度的變化則主要取決于地面粗糙度。不同地面情況的地面粗糙度如表4-1所示。此時(shí)計(jì)算近地面不同高度的風(fēng)速時(shí)仍采用式(4-1)，只是用代替式中的指數(shù)n。31二、風(fēng)況(3)風(fēng)的隨機(jī)性變化如果用自動(dòng)記錄儀來記錄風(fēng)速，就會(huì)發(fā)現(xiàn)風(fēng)速是不斷變化的，一般所說的風(fēng)速是指變動(dòng)部位的平均風(fēng)速。通常自然風(fēng)是一種平均風(fēng)速與瞬間激烈變動(dòng)的紊流相重合的風(fēng)。紊亂氣流所產(chǎn)生的瞬時(shí)高峰風(fēng)速也叫陣風(fēng)風(fēng)速。下圖表示了陣風(fēng)和平均風(fēng)速的關(guān)系。32陣風(fēng)和平均風(fēng)速a-陣風(fēng)振幅；b-陣風(fēng)的形成時(shí)間；c-陣風(fēng)的最大偏移量；d-陣風(fēng)消失時(shí)間33二、風(fēng)況(4)風(fēng)玫瑰圖

“風(fēng)玫瑰圖”是一個(gè)給定地點(diǎn)一段時(shí)間內(nèi)的風(fēng)向分布圖。通過它可以得知當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向。最常見的風(fēng)玫瑰圖是一個(gè)圓，圓上引出16條放射線，它們代表16個(gè)不同的方向，每條直線的長度與這個(gè)方向的風(fēng)的頻度成正比。靜風(fēng)的頻度放在中間。有些風(fēng)玫瑰圖上還指示出了各風(fēng)向的風(fēng)速范圍。季風(fēng)的風(fēng)玫瑰圖如下圖所示。3435圖4-7風(fēng)玫瑰圖(a)風(fēng)向的16個(gè)方位；(b)風(fēng)玫瑰示意圖3637二、風(fēng)況3.風(fēng)力等級(jí)世界氣象組織將風(fēng)力分為13個(gè)等級(jí)，如表4-2所示，在沒有風(fēng)速計(jì)時(shí)可以根據(jù)它來粗略估計(jì)風(fēng)速。38二、風(fēng)況39二、風(fēng)況40二、風(fēng)況4.風(fēng)況曲線風(fēng)況曲線是風(fēng)能利用的基礎(chǔ)資料。它是將全年〔8760h)風(fēng)速在v(m/s)以上的時(shí)間作為橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)則為風(fēng)速v(見圖4-8)，從風(fēng)況曲線即可知道該地區(qū)某種風(fēng)速以上有多少小時(shí)，從而制定相應(yīng)的風(fēng)能利用計(jì)劃。41日本石廊崎等地區(qū)的風(fēng)況曲線42三、風(fēng)能利用可以用下面的簡單公式來估算風(fēng)能：風(fēng)速為p的流動(dòng)空氣的動(dòng)能E為E＝(1/2)mv2，其中m為流體空氣的質(zhì)量。如果用表示流動(dòng)空氣的密度，則每平方米面積上流過的空氣質(zhì)量為v；因此每平方米面積上風(fēng)速為v的風(fēng)的能量密度P為：

P＝(1/2)·v·v2＝(1/2)·v3W/m243三、風(fēng)能利用顯然風(fēng)速v愈高，風(fēng)力機(jī)可能獲得的風(fēng)能P也愈大，因此風(fēng)力機(jī)應(yīng)安裝在風(fēng)速大的地方，而且風(fēng)力機(jī)的迎風(fēng)面積越大，所獲得的風(fēng)能也越多。值得注意的是，由于流經(jīng)風(fēng)力機(jī)后，風(fēng)速不可能為零，因此風(fēng)所擁有的能量并不能完全被利用，也就是說只有風(fēng)能的一部分被轉(zhuǎn)換成風(fēng)力機(jī)槳葉的機(jī)械能，然后這一機(jī)械能再被利用來提水，碾米或轉(zhuǎn)換成電能。44三、風(fēng)能利用由于空氣的密度僅僅是水密度的1/816，因此與水能相比，在相同的流速下，風(fēng)能的能流密度是很低的。風(fēng)能和其他能源的能流密度之比見表4-3。由于風(fēng)能能流密度低就給其利用帶來一定的困難。45風(fēng)能目前主要用于以下幾方面：46三、風(fēng)能利用風(fēng)力發(fā)電利用風(fēng)力發(fā)電已越來越成為風(fēng)能利用的主要形式，受到世界各國的高度重視，而且發(fā)展速度最快。風(fēng)力發(fā)電通常有三種運(yùn)行方式。一是獨(dú)立運(yùn)行方式，通常是一臺(tái)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)向一戶或幾戶提供電力，它用蓄電池蓄能，以保證無風(fēng)時(shí)的用電。二是風(fēng)力發(fā)電與其他發(fā)電方式(如柴油機(jī)發(fā)電)相結(jié)合，向一個(gè)單位或一個(gè)村莊或一個(gè)海島供電。三是風(fēng)力發(fā)電并入常規(guī)電網(wǎng)運(yùn)行，向大電網(wǎng)提供電力；常常是一處風(fēng)場(chǎng)安裝幾十臺(tái)甚至幾百臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，這是風(fēng)力發(fā)電的主要發(fā)展方向。表4-4是美國小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。47表4-4美國小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)48三、風(fēng)能利用風(fēng)帆助航在機(jī)動(dòng)船舶發(fā)展的今天，為節(jié)約燃油和提高航速，古老的風(fēng)帆助航也得到了發(fā)展。航運(yùn)大國日本已在萬噸級(jí)貨船上采用電腦控制的風(fēng)帆助航，節(jié)油率達(dá)15％。49三、風(fēng)能利用風(fēng)力致熱隨著人民生活水平的提高，家庭用能中熱能的需要越來越大，特別是在高緯度的歐洲、北美取暖，煮水是耗能大戶。為解決家庭及低品位工業(yè)熱能的需要，風(fēng)力致熱有了較大的發(fā)展?！帮L(fēng)力致熱”是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成熱能。目前有三種轉(zhuǎn)換方法。一是風(fēng)力機(jī)發(fā)電，再將電能通過電阻絲發(fā)熱，但風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的效率卻很低、因此從能量利用的角度看，這種方法是不可取的。二是由風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成空氣壓縮能，再轉(zhuǎn)換成熱能，即由風(fēng)力機(jī)帶動(dòng)一離心壓縮機(jī)，對(duì)空氣進(jìn)行絕熱壓縮而放出熱能。三是將風(fēng)力機(jī)直接轉(zhuǎn)換成熱能。顯然第三種方法致熱效率最高。50三、風(fēng)能利用風(fēng)力機(jī)直接轉(zhuǎn)換熱能也有多種方法。最簡單的是攪拌液體致熱．即風(fēng)力機(jī)帶動(dòng)攪拌器轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使液體(水或油)變熱。“液體擠壓致熱”是用風(fēng)力機(jī)帶動(dòng)液壓泵，使液體加壓后再從狹小的阻尼小孔中高速噴出而使工作液體加熱。此外還有團(tuán)體摩擦致熱和渦電流致熱等方法。51風(fēng)力熱水裝置示意圖52四、風(fēng)力機(jī)風(fēng)力機(jī)又稱風(fēng)車，是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能、電能或熱