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文檔簡介
第三講風(fēng)力發(fā)電簡單原理一、風(fēng)的起源及特性
1、風(fēng)的起源
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,因此對地球上不同地點(diǎn),太陽照射角度是不同的,而且對同一地點(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24h旋轉(zhuǎn)一周,溫度、氣壓晝夜變化。
這樣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),以便把熱量從熱帶向兩極輸送,因此形成不同方向的風(fēng),并伴隨不同的氣象變化。大洋中的海流也起著類似的作用。從全球尺度來看,大氣中的氣流是巨大的能量傳輸介質(zhì),地球的自轉(zhuǎn)以進(jìn)一步促進(jìn)了大氣中半永久性的行星尺度環(huán)流的形成。下圖表示了地球上風(fēng)的運(yùn)動(dòng)方向。
風(fēng)的變化
風(fēng)向和風(fēng)速是兩個(gè)描述風(fēng)的重要參數(shù)。風(fēng)向是指風(fēng)吹來的方向,如果風(fēng)是從北方吹來就稱為北風(fēng)。風(fēng)速是表示風(fēng)移動(dòng)的速度,即單位時(shí)間內(nèi)空氣流動(dòng)所經(jīng)過的距離。顯然風(fēng)向和風(fēng)速這兩個(gè)參數(shù)都是在變化的。(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100~150m。下圖是在日本川口國際廣播電臺(tái)的無線電鐵塔上測得的不同高度處,一天內(nèi)的風(fēng)速變化。
由于季節(jié)的變化,太陽和地球的相對位置也發(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)最強(qiáng),春季季風(fēng)最弱。(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(見下圖)。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。9、人的價(jià)值,在招收誘惑的一瞬間被決定。2023/2/32023/2/3Friday,February3,202310、低頭要有勇氣,抬頭要有低氣。2023/2/32023/2/32023/2/32/3/20234:29:41PM11、人總是珍惜為得到。2023/2/32023/2/32023/2/3Feb-2303-Feb-2312、人亂于心,不寬余請。2023/2/32023/2/32023/2/3Friday,February3,202313、生氣是拿別人做錯(cuò)的事來懲罰自己。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/32/3/202314、抱最大的希望,作最大的努力。03二月20232023/2/32023/2/32023/2/315、一個(gè)人炫耀什么,說明他內(nèi)心缺少什么。。二月232023/2/32023/2/32023/2/32/3/202316、業(yè)余生活要有意義,不要越軌。2023/2/32023/2/303February202317、一個(gè)人即使已登上頂峰,也仍要自強(qiáng)不息。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/3
大氣層的構(gòu)成圖9、人的價(jià)值,在招收誘惑的一瞬間被決定。2023/2/32023/2/3Friday,February3,202310、低頭要有勇氣,抬頭要有低氣。2023/2/32023/2/32023/2/32/3/20234:29:41PM11、人總是珍惜為得到。2023/2/32023/2/32023/2/3Feb-2303-Feb-2312、人亂于心,不寬余請。2023/2/32023/2/32023/2/3Friday,February3,202313、生氣是拿別人做錯(cuò)的事來懲罰自己。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/32/3/202314、抱最大的希望,作最大的努力。03二月20232023/2/32023/2/32023/2/315、一個(gè)人炫耀什么,說明他內(nèi)心缺少什么。。二月232023/2/32023/2/32023/2/32/3/202316、業(yè)余生活要有意義,不要越軌。2023/2/32023/2/303February202317、一個(gè)人即使已登上頂峰,也仍要自強(qiáng)不息。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/3
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,如城市、鄉(xiāng)村和海邊平地,其風(fēng)速隨高度的變化如下圖所示。
不同地面上風(fēng)速和高度的關(guān)系圖
最新風(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:
式中v——距地面高度為h處的風(fēng)速,m/s;
v1——高度為hi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1/2~1/8。
(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。
陣風(fēng)和平均風(fēng)圖速
a一陣風(fēng)振幅;b一陣風(fēng)的形成時(shí)間;C一陣風(fēng)的最大偏移量;d一陣風(fēng)消失時(shí)間
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(見下圖),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。
日本石廊崎等地區(qū)的風(fēng)況曲線圖風(fēng)能特點(diǎn)
風(fēng)能與其它能源相比,既有其明顯的優(yōu)點(diǎn),又有其突出的局限性。風(fēng)能具有四大優(yōu)點(diǎn)和三大弱點(diǎn)。
四大優(yōu)點(diǎn)是:
蘊(yùn)量巨大;
可以再生;
分布廣泛;
沒有污染。
三大弱點(diǎn)是:
1、密度低。
這是風(fēng)能的一個(gè)重要缺陷。由于風(fēng)能來源于空氣的流動(dòng),而空氣的密度是很小的,因此風(fēng)力的能量密度也很小,只有水力的1/816。在各種能源中,風(fēng)能的含能量是極低的,給其利用帶來一定的困難。2、不穩(wěn)定。
由于氣流瞬息萬變,因此風(fēng)的脈動(dòng)、日變化、季變化以至年際的變化都十分明顯,波動(dòng)很大,極不穩(wěn)定。
3、地區(qū)差異大。
由于地形的影響,風(fēng)力的地區(qū)差異非常明顯。一個(gè)鄰近的區(qū)域,有利地形下的風(fēng)力,往往是不利地形下的幾倍甚至幾十倍。
二、風(fēng)力機(jī)簡介
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、電能或熱能的能量轉(zhuǎn)換裝置。風(fēng)力機(jī)的類型很多,通常將其分為水平軸風(fēng)力機(jī),垂直軸風(fēng)力機(jī)和特殊風(fēng)力機(jī)三大類。但應(yīng)用最廣的還是前兩種類型的風(fēng)力機(jī)。1、水平軸風(fēng)力機(jī)
水平軸風(fēng)力機(jī)是目前國內(nèi)外最常見的一種風(fēng)力機(jī)。下圖表示了目前應(yīng)用最廣的各種不同迎風(fēng)式水平軸風(fēng)力機(jī)的示意圖。
各種不同迎風(fēng)式水平軸風(fēng)力機(jī)示意圖
a)單葉片;(b)雙葉片;(c)三葉片;(d)美國農(nóng)場式多葉片風(fēng)車;(g)車輪式多葉片風(fēng)車;
(f)迎風(fēng)式;(g)背風(fēng)式;(h)空心壓差式;(i)川帆翼式;(j)多轉(zhuǎn)子;(k)反轉(zhuǎn)葉片式
2、垂直軸風(fēng)力機(jī)
垂直軸風(fēng)力機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)與風(fēng)向無關(guān),因此不需要像水平軸風(fēng)力機(jī)那樣采用迎風(fēng)裝置,但其輸出功率一般比水平軸風(fēng)力機(jī)小。下圖為各種不同的垂直軸風(fēng)力機(jī)的示意圖。風(fēng)力機(jī)的效率主要取決于風(fēng)輪效率、傳動(dòng)效率、貯能效率。發(fā)電機(jī)和其他工作機(jī)具的效率。
圖1各種不同垂直軸風(fēng)力機(jī)示意圖
(a)堅(jiān)軸風(fēng)機(jī)(阻力型);(b)堅(jiān)軸風(fēng)機(jī)(升力型)
1-S型;2-多葉片型;3-開型式S型;4-平板式;
5-中型達(dá)里厄;6-△型達(dá)里厄;7-旋翼型
三、何謂風(fēng)力發(fā)電
人類社會(huì)發(fā)展的歷史與能源的開發(fā)和利用水平密切相關(guān),每一次新型能源的開發(fā)都使人類經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生一次飛躍。在我們進(jìn)入21世紀(jì)的今天,世界能源結(jié)構(gòu)也正在孕育著重大的轉(zhuǎn)變,即由礦物能源系統(tǒng)向以可再生能源為基礎(chǔ)的可持續(xù)能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。所謂可再生能源就是取之不盡、用之不竭、與人類共存的能源。它包括太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能等。在這眾多的可再生能源中,目前發(fā)展最快、商業(yè)化最廣泛、經(jīng)濟(jì)上最適用的,當(dāng)數(shù)風(fēng)力發(fā)電。
何謂風(fēng)力發(fā)電
1.原理
風(fēng)力發(fā)電的原理說起來非常簡單,最簡單的風(fēng)力發(fā)電機(jī)可由葉輪和發(fā)電機(jī)兩部分構(gòu)成,如下圖所示??諝饬鲃?dòng)的動(dòng)能作用在葉輪上,將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能,從而推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)。如果將葉輪的轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連,就會(huì)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出電來。孩童玩的紙質(zhì)風(fēng)車就是風(fēng)力機(jī)的雛形,在它的軸上裝個(gè)極微型的發(fā)電機(jī)就可發(fā)電。
風(fēng)力發(fā)電的原理示意
風(fēng)力發(fā)電的原理這么簡單,為什么僅到20世紀(jì)的中后期才獲得應(yīng)用呢?第一,常規(guī)發(fā)電還能滿足需要,社會(huì)生產(chǎn)力水平不夠高,還無法顧及降低環(huán)境污染和解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的供電問題;第二,能夠并網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與制造,只有現(xiàn)代高技術(shù)的出現(xiàn)才有可能。20世紀(jì)初期是造不出現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)的。那么,現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)是什么樣呢?下面我們就介紹一下現(xiàn)代風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與技術(shù)特點(diǎn)。
2.現(xiàn)代風(fēng)機(jī)
上圖所示的風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電時(shí)有時(shí)無,電壓和頻率不穩(wěn)定,是沒有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的。一陣狂風(fēng)吹來,風(fēng)輪越轉(zhuǎn)越快,系統(tǒng)就會(huì)被吹跨。為了解決這些問題,現(xiàn)代風(fēng)機(jī)增加了齒輪箱、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等,現(xiàn)代風(fēng)機(jī)的示意如下圖所示。
現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)示意圖
齒輪箱可以將很低的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速(600千瓦的風(fēng)機(jī)通常為27轉(zhuǎn)/分)變?yōu)楹芨叩陌l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速(通常為1500轉(zhuǎn)/分)。同時(shí)也使得發(fā)電機(jī)易于控制,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的頻率和電壓輸出。偏航系統(tǒng)可以使風(fēng)輪掃掠面積總是垂直于主風(fēng)向。要知道,600千瓦的風(fēng)機(jī)機(jī)艙總重20多噸,使這樣一個(gè)系統(tǒng)隨時(shí)對準(zhǔn)主風(fēng)向也有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)難度。
風(fēng)機(jī)是有許多轉(zhuǎn)動(dòng)部件的。業(yè)已說明,機(jī)艙在水平面旋轉(zhuǎn),隨時(shí)跟風(fēng)。風(fēng)輪沿水平軸旋轉(zhuǎn),以便產(chǎn)生動(dòng)力。在變槳矩風(fēng)機(jī),組成風(fēng)輪的葉片要圍繞根部的中心軸旋轉(zhuǎn),以便適應(yīng)不同的風(fēng)況。在停機(jī)時(shí),葉片尖部要甩出,以便形成阻尼。液壓系統(tǒng)就是用于調(diào)節(jié)葉片槳矩、阻尼、停機(jī)、剎車等狀態(tài)下使用。
要知道,通常所說的12級(jí)颶風(fēng),其風(fēng)速范圍也僅為32.7-36.9米/秒。風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng),要在這樣惡劣的條件下,根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向?qū)ο到y(tǒng)加以控制,在穩(wěn)定的電壓和頻率下運(yùn)行,自動(dòng)地并網(wǎng)和脫網(wǎng)。并監(jiān)視齒輪箱、發(fā)電機(jī)的運(yùn)行溫度,液壓系統(tǒng)的油壓,對出現(xiàn)的任何異常進(jìn)行報(bào)警,必要時(shí)自動(dòng)停機(jī)。3、風(fēng)力發(fā)電場
現(xiàn)代大型風(fēng)力發(fā)電機(jī),單臺(tái)容量一般為600-1000千瓦。目前國際上研制的超大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量也只為6MW。對于一個(gè)大型發(fā)電場來說,其容量還是很小的。因此,我們一般將十幾臺(tái)或幾十臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成一個(gè)風(fēng)電場。這樣既形成一個(gè)強(qiáng)大的供電體系,也便于管理,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。同時(shí),也降低了安裝、運(yùn)行和維護(hù)的成本。下圖為山東長島風(fēng)力發(fā)電場一角。
山東長島風(fēng)力發(fā)電場一角
控制系統(tǒng)是現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)的神經(jīng)中樞?,F(xiàn)代風(fēng)機(jī)是無人值守的。就600千瓦風(fēng)機(jī)而言,一般在4米/秒左右的風(fēng)速自動(dòng)啟動(dòng),在14米/秒左右發(fā)出額定功率。然后,隨著風(fēng)速的增加,一直控制在額定功率附近發(fā)電,直到風(fēng)速達(dá)到25米/秒時(shí)自動(dòng)停機(jī)?,F(xiàn)代風(fēng)機(jī)的存活風(fēng)
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