風(fēng)力發(fā)電原理-2012第二章課件

華北電力大學(xué)控制與計算機(jī)工程學(xué)院第二章

風(fēng)能及其轉(zhuǎn)換原理1本章內(nèi)容2.1風(fēng)的形成及其特性2.2風(fēng)的測量與估計2.3風(fēng)能資源評估及風(fēng)電場選址概述2.4風(fēng)能轉(zhuǎn)換基本原理2.5風(fēng)力機(jī)運行特性22.1.1風(fēng)的形成及其基本特性風(fēng)：指空氣相對于地球表面的運動，是由于大氣中熱力和動力的空間不均勻性所形成的。大氣邊界層：受地表摩擦阻力影響的大氣層。按高度分成三個區(qū)域：底層、下部摩擦層、上部摩擦層。邊界層空氣在高度方向上特點：空氣上下對流運動水平運動速度隨高度變化風(fēng)向隨高度變化大氣湍流特性隨高度變化2.1風(fēng)的形成及其特性大氣邊界層1.

風(fēng)的形成32.風(fēng)的尺度小尺度：空間數(shù)米到數(shù)千米，時間數(shù)秒到數(shù)天。中尺度：空間數(shù)千米到數(shù)百千米，時間數(shù)分鐘到一周。天氣尺度：空間數(shù)百千米到數(shù)千千米，時間數(shù)天到數(shù)周。行星尺度：空間數(shù)千千米以上，時間數(shù)周。氣流運動的空間和時間尺度43.風(fēng)的大小風(fēng)的大小通常指風(fēng)速的大小。風(fēng)速和風(fēng)向在時間、空間上的變化均是隨機(jī)的。通常把風(fēng)看作是由平均風(fēng)和脈動風(fēng)兩部分組成。風(fēng)速和風(fēng)向時間歷程曲線53.風(fēng)的大小某地點平均風(fēng)速的大小除取決于時距外，還與所測點的高度有關(guān)，我國規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)高度為10m。風(fēng)力等級是依據(jù)風(fēng)對地面或海面物體影響而引起的各種現(xiàn)象確定的。國際上采用的風(fēng)速等級是1805年英國人蒲福擬定的。在1946年，人們又把第12級（颶風(fēng)）分為6級。表見下頁。6風(fēng)力級數(shù)名稱海面狀況海洋船只征象陸地地面征象相當(dāng)于空曠平地上標(biāo)準(zhǔn)高度10米處的風(fēng)速（米/秒）海浪一般(米)最高(米)0靜風(fēng)－－靜靜，煙直上0—0.21軟風(fēng)0.10.1平常漁船略覺搖動煙能表示風(fēng)向，但風(fēng)向標(biāo)不能動0.3—1.52輕風(fēng)0.20.3漁船張帆時，每小時可隨風(fēng)移行2?3公里人面感覺有風(fēng)，樹葉微響，風(fēng)向標(biāo)能轉(zhuǎn)動1.6—3.33微風(fēng)0.61.0漁船漸覺顛簸

，每小時可隨風(fēng)移行5?6公里樹葉及微枝搖動不息，旌旗展開3.4—5.44和風(fēng)1.01.5漁船滿帆時，可使船身傾向一側(cè)能吹起地面灰塵和紙張，樹的小枝搖動5.5—7.95清勁風(fēng)2.02.5漁船縮帆（即收去帆之一部）有葉的小樹搖擺，內(nèi)陸的水面有小波8.0—10.76強(qiáng)風(fēng)3.04.0漁船加倍縮帆，捕魚須注意風(fēng)險大樹枝搖動，電線呼呼有聲，舉傘困難10.8—13.87疾風(fēng)4.05.5漁船停泊港中，在海者下錨全樹搖動，迎風(fēng)步行感覺不便13.9—17.18大風(fēng)5.57.5進(jìn)港的漁船皆停留不出微枝拆毀，人行向前，感覺阻力甚大17.2—20.79烈風(fēng)7.010.0汽船航行困難建筑物有小損（煙囪頂部及平屋搖動）20.8—24.410狂風(fēng)9.012.5汽船航行頗危險陸上少見，見時可使樹木拔起或使建筑物損壞嚴(yán)重24.5—28.411暴風(fēng)11.516.0汽船遇之極危險陸上很少見，有則必有廣泛損壞28.5—32.612颶風(fēng)14.0－海浪滔天陸上絕少見，摧毀力極大32.7—36.913－－－－－37.0—41.414－－－－－41.5—46.115－－－－－46.2—50.916－－－－－51.0—56.017－－－－－56.1—61.272.1.2全球性的風(fēng)大氣環(huán)流是全球范圍內(nèi)，由于太陽輻射不均勻，產(chǎn)生赤道和極地的溫度和氣壓差異，導(dǎo)致的赤道上空的熱空氣向極地運動，而極地地面的冷空氣向赤道運動的循環(huán)狀態(tài)。1856年，美國人費雷爾提出了更接近實際的“三圈環(huán)流”大氣運動模型。1.

大氣環(huán)流三圈環(huán)流示意圖82.季風(fēng)季風(fēng)是隨季節(jié)變化的風(fēng)，是在較大的范圍內(nèi)，盛行風(fēng)向隨季節(jié)明顯變化的反映。季風(fēng)形成的主要原因是海陸比熱不同而造成的熱力差異，從而形成了大尺度的、隨著季節(jié)交替變化的局部熱力環(huán)流。一般以年為周期。全球性的風(fēng)中，出了大氣環(huán)流和季風(fēng)以外，還有急流和大氣長波現(xiàn)象。92.1.3地方性的風(fēng)1.

海陸風(fēng)海風(fēng)的形成b)陸風(fēng)的形成海陸風(fēng)形成示意圖102.

山谷風(fēng)谷風(fēng)的形成示意圖山風(fēng)的形成示意圖山谷風(fēng)形成示意圖113.

焚風(fēng)山前有降水情況b)山前無降水情況焚風(fēng)形成示意圖122.1.4平均風(fēng)

平均風(fēng)速是指在某一時間間隔中，空間某點瞬時水平方向風(fēng)速的數(shù)值平均值，用下式表示。1平均風(fēng)速

風(fēng)能計算常用10分鐘（或1小時）平均風(fēng)速132平均風(fēng)速隨高度變化規(guī)律1）對數(shù)率變化z

—

距地高度（米）；z0—

地表粗燥長度（米），其取值由下表給出：

地形沿海區(qū)開闊場地建筑物不多的郊區(qū)建筑物較多的郊區(qū)大城市中心z0/m0.005~0.010.03~0.100.20~0.400.80~1.202.00~3.00142平均風(fēng)速隨高度變化規(guī)律2）指數(shù)率變化153平均風(fēng)速隨時間變化規(guī)律

1）平均風(fēng)速的日變化由于太陽照射引起地面受熱的晝夜變化，導(dǎo)致平均風(fēng)速在每天范圍內(nèi)也發(fā)生相應(yīng)變化。平均風(fēng)速的日變化163平均風(fēng)速隨時間變化規(guī)律

2）平均風(fēng)速的月變化下圖是位于中緯度某地平均風(fēng)速月變化實測曲線。平均風(fēng)速的月變化情況不同地區(qū)會有很大不同，很難找出一般規(guī)律。平均風(fēng)速的月變化173平均風(fēng)速隨時間變化規(guī)律

3）平均風(fēng)速的季度變化平均風(fēng)速的季節(jié)變化在世界上幾乎所有地區(qū)，一年內(nèi)的平均風(fēng)速都隨著季節(jié)發(fā)生明顯規(guī)律性的變化。我國大部分地區(qū)，最大風(fēng)速多在春季，而最小風(fēng)速多在夏季。184平均風(fēng)速分布

1）威布爾分布:2）瑞利分布:是威布爾分布在k=2時的特例式中：k—形狀系數(shù)，c—尺度系數(shù)某地的平均風(fēng)速概率密度曲線威布爾分布函數(shù)概率密度曲線195平均風(fēng)向

最常用的方法是把圓周360°分成16個等分，每一個方位范圍是22.5°。風(fēng)向方位圖205平均風(fēng)向

某一風(fēng)向在一年或一個月中出現(xiàn)的頻率常用風(fēng)向玫瑰圖表示。Na）形式1

b）形式2風(fēng)向玫瑰圖212.1.5脈動風(fēng)脈動風(fēng)速為瞬間風(fēng)速與平均風(fēng)速的差值，因此，其時間平均值為零：1．脈動風(fēng)速脈動風(fēng)速的概率密度函數(shù)非常接近于高斯分布或正態(tài)分布。概率密度函數(shù):

把脈動風(fēng)看作平穩(wěn)隨機(jī)過程，即可用某點長時間的觀測樣本來代表整個脈動風(fēng)的統(tǒng)計特性。這里僅介紹其風(fēng)速、湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)系數(shù)。22不同高度處的風(fēng)速時間歷程曲線1．脈動風(fēng)速下圖是某處不同高度風(fēng)速的時間曲線。由圖可知，脈動風(fēng)速隨高度的減小而增加，這是由于越接近地面受地貌特征及濕度分布影響越大造成的。23湍流強(qiáng)度用來描述變化的程度，反映脈動風(fēng)速的相對強(qiáng)度2.湍流強(qiáng)度三個正交方向上瞬時風(fēng)速分量的湍流強(qiáng)度u’

，

v’

，ω’

—分別為三個正交方向上的脈動風(fēng)速分量一般εu>εv>εω。在工程中，我們主要考慮縱向湍流強(qiáng)度εuZ

—離地面高度,α—地表粗糙長度24下圖分別給出了縱向湍流強(qiáng)度隨高度和地表粗糙度長度變化的曲線。由圖可知，縱向湍流強(qiáng)度隨高度的增加而減小，隨地表粗糙度長度的增加而增大。2.湍流強(qiáng)度縱向湍流強(qiáng)度隨高度的變化曲線縱向湍流強(qiáng)度隨地面粗糙長度的變化曲線25在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要考慮陣風(fēng)的影響，因此，引入陣風(fēng)系數(shù)G。陣風(fēng)系數(shù)是指陣風(fēng)風(fēng)速與平均風(fēng)速之比，它與湍流強(qiáng)度有關(guān)。湍流強(qiáng)度越大，則陣風(fēng)系數(shù)越大；陣風(fēng)持續(xù)時間越長則陣風(fēng)系數(shù)越小。有關(guān)文獻(xiàn)給出了如下表達(dá)式：3.陣風(fēng)系數(shù)式中εu

—縱向湍流強(qiáng)度；T—陣風(fēng)持續(xù)時間262.1.6極端風(fēng)1）熱帶氣旋2）寒潮大風(fēng)3）龍卷風(fēng)1.極端風(fēng)種類2.重現(xiàn)期若重現(xiàn)期為N，則超過設(shè)計最大風(fēng)速的概率為，保證率就為

取一個大于各年份最大風(fēng)速平均值的風(fēng)速作為設(shè)計最大風(fēng)速。從統(tǒng)計學(xué)的角度，這個風(fēng)速要間隔一段時間才出現(xiàn)一次，這段間隔時間叫重現(xiàn)期。。273.最大風(fēng)速概率分布

a—

尺度參數(shù)；b—

位置參數(shù)分布函數(shù)：某地年最大風(fēng)速的累積分布曲線284.設(shè)計最大風(fēng)速式中，μ—保證系數(shù)

重現(xiàn)期N/年30501001000保證率p0.9670.9800.9900.999保證系數(shù)μ2.202.593.144.94設(shè)計最大風(fēng)速可用最大風(fēng)速累積分布函數(shù)來求取。設(shè)計最大風(fēng)速為不同重現(xiàn)期N下的保證系數(shù)292.1.7地形地貌對風(fēng)的影響1)地面建筑物地面建筑物對風(fēng)速的擾動區(qū)范圍大小取決于建筑物的形狀（寬高比）。

建筑物形狀B/H下游距離5H10H20H風(fēng)速降低/（%）湍流增強(qiáng)/（%）風(fēng)速降低/（%）湍流增強(qiáng)/（%）風(fēng)速降低/（%）湍流增強(qiáng)/（%）43625147513241511540.51114512-0.332.52.51.30.75--0.2522.510.50--尾流區(qū)高度1.5H2.0H3.0H注：B為建筑物寬度，H為建筑物高度建筑物形狀對下游風(fēng)特性的影響建筑物對風(fēng)特性的影響302)地形地形對風(fēng)速分布的影響更大。山丘、山谷、盆地等不僅會改變風(fēng)的速度分布，還會使風(fēng)向產(chǎn)生較大的變化。不同地形平地平均風(fēng)速/（m/s）3~56~8山間盆地0.95~0.850.85~0.70彎曲河谷0.80~0.700.70~0.60山脊背風(fēng)坡0.90~0.800.80~0.70山脊迎風(fēng)坡1.20~1.101.10峽谷口或山口1.40~1.301.20不同地形與平坦地面風(fēng)速比值313)海上風(fēng)特性

海上年平均風(fēng)速的威布爾分布形狀系數(shù)比陸地大，平均風(fēng)速隨高度的變化比較平緩，湍流強(qiáng)度相對較低，風(fēng)向也比較穩(wěn)定。

海面對平均風(fēng)速概率分布曲線的影響海面對風(fēng)速廓線的影響32基本要求：風(fēng)資源測量時，通常按照下表所列項目進(jìn)行。所有參數(shù)應(yīng)每1s或2s采樣一次，計算平均值時，標(biāo)準(zhǔn)時間間隔為10min。測量風(fēng)速時要在多個高度測量，以確定風(fēng)的切變特性。測風(fēng)時間應(yīng)至少連續(xù)一年以上，2.2風(fēng)的測量與估計項目測量參數(shù)記錄值基本參數(shù)風(fēng)速/(m/s)平均值，標(biāo)準(zhǔn)偏差，最大/最小值風(fēng)向/(°)平均值，標(biāo)準(zhǔn)偏差氣溫/°C平均值，最大/最小值可選參數(shù)太陽輻射/(W/m2)平均值，最大/最小值垂直風(fēng)速/(m/s)平均值，標(biāo)準(zhǔn)偏差大氣壓/hPa平均值，最大/最小值溫度變化/°C平均值，最大/最小值332.1.1風(fēng)向測量

風(fēng)向標(biāo)：尾翼、指向針、平衡錘及旋轉(zhuǎn)軸風(fēng)向信號產(chǎn)生：環(huán)形電位計、碼盤大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上的風(fēng)向標(biāo)34風(fēng)速測量

旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計

1.風(fēng)杯

2.螺旋槳葉風(fēng)杯螺旋槳式a數(shù)值即為起動風(fēng)速;N是風(fēng)速計轉(zhuǎn)速;通常c?b(c≈b×10-4)3536風(fēng)能資源大小常用風(fēng)能密度來表示。風(fēng)能密度是指垂直于風(fēng)向，單位面積上，單位時間流過的空氣的動能（功率密度），計算公式為：平均風(fēng)能密度)風(fēng)能估計平均功率密度的數(shù)學(xué)期望(均值)2.2.3風(fēng)能估計有：

令

結(jié)論：風(fēng)能密度仍然符和威布爾分布。估計平均風(fēng)能密度，就變成了對參數(shù)c，k的估計。K——形狀系數(shù)，C——尺度系數(shù)37最小二乘法估計

風(fēng)能估計（c和k的估計）

取對數(shù)：

令b=K，則：K=b得到的風(fēng)速出現(xiàn)范圍劃成n個風(fēng)速區(qū)間,統(tǒng)計各風(fēng)速間隔出現(xiàn)的頻率f1…fn,計算累計頻率P1=f1,P2=P1+f2…

38取平均風(fēng)速和標(biāo)準(zhǔn)差估計風(fēng)能估計（c和k的估計）

通常用如下近似關(guān)系式求解K在應(yīng)用中，我們用平均風(fēng)速來估計和→39平均風(fēng)速和最大風(fēng)速估計風(fēng)能估計（c和k的估計）

由有為在時間段T內(nèi)觀測到的10min平均最大風(fēng)速，它出現(xiàn)的概率為K值通常在1.0～2.6之間，此時因此:40年均有效風(fēng)能估計

風(fēng)能估計年平均有效風(fēng)能是指一年中在有效風(fēng)速范圍內(nèi)的風(fēng)能的平均密度，可用下式計算有效風(fēng)速范圍(目前通常為3m/s～25m/s),為有效范圍內(nèi)的概率分布函數(shù)

(在應(yīng)用中，可以用數(shù)值積分的辦法得到)41指標(biāo)豐富區(qū)較豐富區(qū)可利用區(qū)貧乏區(qū)年有效風(fēng)能密度W／㎡﹥200200～150150～100﹤100風(fēng)速≧3m／s年累計時數(shù)h﹥50005000～40004000～2000﹤2000風(fēng)速≧6m／s年累計時數(shù)h﹥20002200～15001500～350﹤350占全國面積百分比8185024高度10m30m50m風(fēng)功率密度等級風(fēng)功率密度(w／㎡)平均風(fēng)速參考值(m／s)風(fēng)功率密度(w／㎡）平均風(fēng)速參考值(m／s)風(fēng)功率密度(w／㎡）平均風(fēng)速參考值(m／s)應(yīng)用1﹤1004．4﹤1605．1﹤2005．62100~1505．1160~2405．9200~3006．43150~2005．6240~3206．5300~4007．0較好4200~2506．0320~4007．0400~5007．5好5250~3006．4400~4807．4500~6008．0很好6300~4007．0480~6408．2600~8008．87400~10009．4640~160011．0800~200011．9國際上風(fēng)電場風(fēng)能資源等級劃分

422.3風(fēng)能資源評估及風(fēng)電場選址概述

風(fēng)能資源四類區(qū)域2.3.1風(fēng)能資源評估

目的：預(yù)測風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能的潛力主要評估參數(shù)：

1）平均風(fēng)速：年平均風(fēng)速（30年，至少10年每小時或每10分鐘平均風(fēng)速數(shù)據(jù)

）

2）主要風(fēng)向分布:依據(jù)多年統(tǒng)計資料和至少最近一年實測數(shù)據(jù)

3）風(fēng)功率密度：由風(fēng)速和空氣密度得到

4）年風(fēng)能可利用時間：一年中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在有效風(fēng)速范圍內(nèi)的運行時間（一般有效風(fēng)速范圍取3～25m/s）431）宏觀選址：風(fēng)能質(zhì)量好風(fēng)向基本穩(wěn)定風(fēng)速變化小盡量避開災(zāi)難性天氣頻發(fā)地區(qū)發(fā)電機(jī)組高度范圍內(nèi)風(fēng)速的垂直變化?。ù怪鼻凶冃。┑匦螚l件好——地形盡可能單一地質(zhì)情況能滿足塔架基礎(chǔ)、房屋建筑施工的要求，遠(yuǎn)離強(qiáng)地震帶等對環(huán)境不利影響小盡可能接近電網(wǎng)并考慮并網(wǎng)可能產(chǎn)生的影響交通方便風(fēng)能資源分析軟件：WASP(WindAtlasAnalysisandAplicationgPrograms)2.3.2風(fēng)電場選址442）微觀選址：考慮地形的影響 平坦地形：考慮地面障礙物 復(fù)雜地形：在山丘和谷地，要考慮谷地方向與主要盛行風(fēng)向的關(guān)系考慮機(jī)組的排列方式 對于平坦地形，盛行主風(fēng)向為一個或相反的兩個方向時，一般按矩陣式排列；多盛行風(fēng)向，一般采用田字型或園型排布，發(fā)電機(jī)組間距通常取10～12倍風(fēng)輪直徑。風(fēng)電場的設(shè)計優(yōu)化軟件：WindFarmer(WindFarmerDesignandOptimigzationSoftware)2.3.2風(fēng)電場選址45

--相對厚度，

--最大厚度，即弦長法線方向之翼型最大厚度；A點--前緣點；B點--后緣點，A、B點相距最遠(yuǎn)；

--弦長，是兩端點A、B連線方向上翼形的最大長度；1、槳葉翼型參數(shù)2.4風(fēng)能轉(zhuǎn)換基本原理

，通常為10%～15%；

--槳距角，是風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面與弦線間的夾角；

--攻角，是來流速度方向與弦線間的夾角；2、槳葉上的氣動力空氣動力的一個分力與氣流方向垂直，它使平板上升，稱為升力；另一個分力與氣流方向相同，稱為阻力。升力系數(shù)與阻力系數(shù)之比稱為升阻比

--總的氣動力系數(shù)，無量綱；

--升力系數(shù)，無量綱；

--阻力系數(shù)，無量綱。3、影響升力系數(shù)和阻力系數(shù)的因素

攻角的影響翼型的影響(彎度、厚度及前緣)表面粗糙度和雷諾數(shù)的影響2.4.2風(fēng)能轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)理論

1、風(fēng)輪動量理論(貝茲極限理論)理想假設(shè)(不考慮風(fēng)輪尾流的旋轉(zhuǎn))

1）氣流是不可壓縮的均勻定常流；2）風(fēng)輪簡化成一個漿盤；3）槳盤上沒有摩擦力；4）風(fēng)輪流動模型簡化成一個單元流管；5）風(fēng)輪前后遠(yuǎn)方的氣流靜壓相等；6）軸向力（推力）沿漿盤均勻分布。風(fēng)輪流動的單元流管模型

單位時間內(nèi)氣流流過截面積為S的氣體所具有的動能為

2、風(fēng)輪動量理論(貝茲極限理論)由動量方程得到作用在風(fēng)輪上的軸向力F為：

風(fēng)輪（3）（2）（1）（3）（1）（1）S1V1S

VS2V2根據(jù)右圖：由伯努利方程可得

：假設(shè)風(fēng)輪遠(yuǎn)方的氣流靜壓相等，即得:

由：

風(fēng)輪（3）（2）（1）（3）（1）（1）S1V1S

VS2V2這表明流過風(fēng)輪的速度是風(fēng)輪前來流風(fēng)速和風(fēng)輪后尾流速度的平均值。根據(jù)能量方程有：當(dāng)：

此值稱之為貝茲（Betz）極限，它表示在理想情況下，風(fēng)輪最多能吸收59.3％的風(fēng)的動能，也就是說其理論最大效率值為0.593，說明風(fēng)輪從自然風(fēng)中所能索取的能量是有限的。時，則P出現(xiàn)極值，求解后得

定義風(fēng)輪軸功率系數(shù)（又稱風(fēng)能利用系數(shù)）2、風(fēng)輪葉素理論葉素：將風(fēng)輪葉片沿展向分成若干個微元，這些微元稱為葉素。

基本思想：通過對葉素的受力分析求得作用在每個葉素上的力和轉(zhuǎn)矩，再將所有微元轉(zhuǎn)矩和力相加得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳葉上的力和轉(zhuǎn)矩。葉素受力分析

氣流相對于葉片的相對速度為：

由受力分析圖可知:

I--傾角，為槳距角與攻角i之和，令升阻比：

風(fēng)輪的總轉(zhuǎn)矩是由風(fēng)輪槳葉所有葉素的轉(zhuǎn)矩微元之和。根據(jù)同樣可以由總轉(zhuǎn)矩得到風(fēng)力機(jī)吸收總的風(fēng)能。

3渦流理論因為存在尾流和渦流影響，風(fēng)輪葉片下游存在著尾跡渦，它形成兩個主要的渦區(qū)：一個在輪轂附近，一個在葉尖。當(dāng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時，通過每個葉片尖部的氣流的跡線為一螺旋線，在輪轂附近也存在同樣的情況，風(fēng)速的渦流系統(tǒng)如下圖。

風(fēng)速的渦流系統(tǒng)

由渦流引起的風(fēng)速可看成是由下列三個渦流系統(tǒng)疊加的結(jié)果：1)中心渦，集中在轉(zhuǎn)軸上；2)每個葉片的邊界渦；3)每個葉片尖部形成的螺旋渦。3渦流理論渦流系統(tǒng)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的影響可以分解為對風(fēng)速和對風(fēng)輪轉(zhuǎn)速兩方面。渦流形成的氣流通過風(fēng)輪的軸向速度與風(fēng)速方向相反，旋轉(zhuǎn)速度方向與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速方向相同