新能源與分布式發(fā)電技術(shù)03風(fēng)能與風(fēng)力發(fā)電.ppt

1、新能源與分布式發(fā)電技術(shù),制作：朱永強(qiáng)，許 郁，丁澤俊,第3講 風(fēng)能與風(fēng)力發(fā)電,華北電力大學(xué),第3講 風(fēng)力發(fā)電,關(guān)注的問題 風(fēng)是最常見的自然現(xiàn)象之一。風(fēng)是怎樣形成的？ 人類何時(shí)開始懂得對風(fēng)能的利用？又是如何利用的？ 風(fēng)力發(fā)電的原理是怎樣的？風(fēng)力發(fā)電的設(shè)備什么樣？ 風(fēng)力發(fā)電能達(dá)到什么樣的規(guī)模？發(fā)展?fàn)顩r如何？,教學(xué)目標(biāo) 了解風(fēng)資源情況和風(fēng)能利用的發(fā)展歷史， 掌握風(fēng)力發(fā)電的基本原理和主要設(shè)備， 理解風(fēng)力發(fā)電的重要意義和發(fā)展前景。,3.1 風(fēng)能利用的歷史,人類利用風(fēng)能的歷史，至少可以追溯到5000多年以前。,埃及可能是最先利用風(fēng)能的國家。 趣聞：風(fēng)能與金字塔（見教材） 2000多年以前，人類開始利用風(fēng)的

2、力量進(jìn)行生產(chǎn)，例如靠風(fēng)力帶動(dòng)簡易裝置來碾米磨面、引水灌溉。 公元前幾百年，亞洲的巴比倫人、波斯人也開始利用風(fēng)能。 公元10世紀(jì)，伊斯蘭人開始用風(fēng)車提水。到11世紀(jì)，風(fēng)車在中東地區(qū)已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用。,3.1 風(fēng)能利用的歷史,12世紀(jì)，風(fēng)車的概念和設(shè)計(jì)從中東傳入歐洲。 荷蘭人發(fā)明了水平轉(zhuǎn)軸的塔形風(fēng)車，并且很快風(fēng)靡北歐。 唐吉訶德大戰(zhàn)風(fēng)車的故事聽說過吧？（教材引例故事） 除了磨面、榨油、造紙、鋸木等生產(chǎn)作業(yè)之外，在比利時(shí)等地勢較低國家還用風(fēng)車來排水。,3.1 風(fēng)能利用的歷史,至少在3000年以前，我國就出現(xiàn)了帆船。 中國最輝煌的風(fēng)帆時(shí)代是明代，鄭和下西洋，龐大的風(fēng)帆船（見教材）在那幾次舉世聞名的航

3、行中功不可沒。鄭和的“準(zhǔn)環(huán)球”旅行，比西方的哥倫布和麥哲倫早了好幾百年。,3.1 風(fēng)能利用的歷史,公元前數(shù)世紀(jì)我國人民就開始利用風(fēng)力提水、灌溉、磨面、舂米等。 1300多年前宋代的一種垂直軸“走馬燈式” ，一直沿用到新中國成立（見教材）。 中國沿海沿江地區(qū)的風(fēng)力提水灌溉或制鹽的做法，曾經(jīng)非常盛行，僅在江蘇沿海利用風(fēng)力的設(shè)備就曾多達(dá)。 我國使用最廣泛的是“斜桿式”風(fēng)車，直到今天，沿海地區(qū)農(nóng)田和鹽場中仍有上千臺(tái)之多。,3.2 風(fēng)和風(fēng)資源,3.2.1 風(fēng)的形成,地球轉(zhuǎn)動(dòng)，地表的地形差異，以及云層遮擋和太陽輻射角度的差別，使地面受熱不均。 不同地區(qū)的溫差和空氣中水蒸汽含量不同，形成不同的氣壓區(qū)。 空氣

4、從高氣壓區(qū)域向低氣壓區(qū)域的自然流動(dòng)，稱為大氣運(yùn)動(dòng)。 在氣象學(xué)上，一般把垂直方向的大氣運(yùn)動(dòng)稱為氣流，水平方向的大氣運(yùn)動(dòng)就是風(fēng)。,3.2.1 風(fēng)的形成,按照形成原因，風(fēng)有信風(fēng)、海陸風(fēng)和山谷風(fēng)等。 （1）信風(fēng) 赤道附近氣溫高，熱氣上升；兩極氣溫低，冷氣下降，相互填補(bǔ)空缺 ，冷空氣在地面附近從兩極流向赤道(高空反之)。地球自西向東轉(zhuǎn)，北半球東北風(fēng)，南半球東南風(fēng)。 （2）海陸風(fēng) 海洋熱容量大。白天日照下陸地溫度比海面高，熱空氣上升，海面冷空氣在地表附近流向陸地，這就是海風(fēng)。夜間，陸地比海洋冷卻得快，形成流向海洋的陸風(fēng)。 （3）山谷風(fēng) 白天山坡朝陽面受熱較多，空氣上升；低凹處受熱少，冷空氣從山谷流向山坡，

5、形成谷風(fēng)。夜間，山坡降溫幅度大，冷空氣則沿山坡向下流動(dòng)，形成山風(fēng)。,3.2.1 風(fēng)的形成,一般，在晴朗而且晝夜溫差較大的沿海地區(qū)，白天吹來海風(fēng)，夜晚則有陸風(fēng)吹向海上。 在山區(qū)，白天谷風(fēng)從谷底向山上吹，晚上山風(fēng)從山上向山下吹。 大陸與海洋的熱容量差別，還會(huì)形成季節(jié)性的氣壓變化。以中國的華北地區(qū)為例，冬季內(nèi)陸氣溫低，多形成高氣壓區(qū)，空氣流向東南方向的海洋低氣壓區(qū)，所以在冬季多刮西北風(fēng)。而夏季正好相反，我國大部分地區(qū)常刮東南風(fēng)。 。,3.2.2 風(fēng)的描述,（1）風(fēng)向 就是風(fēng)吹來的方向。例如，南風(fēng)。 早在商代，就有對風(fēng)向的定義和觀測，見教材 （2）風(fēng)速 就是單位時(shí)間內(nèi)空氣在水平方向上移動(dòng)的距離。通常指

6、一段時(shí)間內(nèi)的風(fēng)速的算術(shù)平均值。 （3）風(fēng)能和風(fēng)能密度 風(fēng)中流動(dòng)的空氣所具有的能量，稱為風(fēng)能。風(fēng)能密度，就是單位面積上流過的風(fēng)能。,3.2.3 世界風(fēng)資源,有專家估計(jì)，地球上的風(fēng)能，大約是目前全世界能源總消耗量的100倍，相當(dāng)于萬億噸煤蘊(yùn)藏的能量。 據(jù)世界氣象組織估計(jì)，全球大氣中蘊(yùn)藏的總的風(fēng)能功率約為1014 MW，其中可被開發(fā)利用的風(fēng)能約有MW。 全球的風(fēng)能折算為電能，相當(dāng)于2.74萬億度，其中可利用的相當(dāng)于億度電。 地球1.07億平方公里的陸地表面，平均風(fēng)速高于5m/s（距地面10m高處）的面積約占27%。 據(jù)分析，其中只有4左右的面積有可能安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)。以目前的技術(shù)水平，每平方公里的風(fēng)能

7、發(fā)電量為330千瓦左右，平均每年發(fā)電量的合理估計(jì)為萬度左右。,3.2.4 我國風(fēng)資源,研究表明，全國平均風(fēng)能密度約為100W/m2，全國風(fēng)能總儲(chǔ)量約48億兆瓦， 陸上和近海區(qū)域10米高度可開發(fā)風(fēng)能資源儲(chǔ)量約為10億千瓦，其中有很好開發(fā)利用價(jià)值的陸上風(fēng)資源大約有千瓦。,3.2.4 我國風(fēng)資源,中國氣象局風(fēng)能太陽能資源評估中心，公布了全國平均風(fēng)速分布和有效風(fēng)功率密度分布情況，參見教材圖3.4和圖3.5。,3.3 風(fēng)力機(jī)的種類,各種類型的風(fēng)力機(jī)，都至少包括葉片（有些稱為槳葉）、輪轂、轉(zhuǎn)軸、支架（有些稱為塔架）等部分。其中由葉片和輪轂等構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)部分又稱為風(fēng)輪。,按轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向的關(guān)系，風(fēng)力機(jī)大體上可分為

8、兩類： 水平軸風(fēng)力機(jī)（風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向平行）； 垂直軸風(fēng)力機(jī)（風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面或氣流方向）。,3.3.1 水平軸風(fēng)力機(jī),(1)荷蘭式風(fēng)力機(jī) 12世紀(jì)初荷蘭人發(fā)明，曾在歐洲(荷、比、西等國)廣泛使用。這可能是出現(xiàn)最早的水平軸風(fēng)力機(jī)。 荷蘭風(fēng)車有兩種形式，詳見教材。,3.3.1 水平軸風(fēng)力機(jī),(2)螺旋槳式風(fēng)力機(jī) 螺旋槳式水平軸風(fēng)力機(jī)目前技術(shù)最成熟、生產(chǎn)量最多。 其翼型與飛機(jī)的翼型類似，一般多為雙葉片或三葉片，也有少量用單葉片或四葉片以上的。,3.3.1 水平軸風(fēng)力機(jī),(3)多翼式風(fēng)力機(jī) 也叫多葉式風(fēng)力機(jī)，一般裝有20枚左右的葉片，是典型的低轉(zhuǎn)速大扭矩風(fēng)力機(jī)。,3.3.1 水平軸風(fēng)力機(jī),(

9、4)離心甩出式風(fēng)力機(jī) 是一種不直接利用自然風(fēng)的獨(dú)特設(shè)計(jì)。 采用空心葉片。,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，通道內(nèi)空氣流動(dòng)的摩擦損失大，總體效率很低。,3.3.1 水平軸風(fēng)力機(jī),(5)透平式風(fēng)力機(jī) 也叫渦輪式風(fēng)力機(jī)，其結(jié)構(gòu)形式燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)類似，由靜葉片和動(dòng)葉片組成。 這種風(fēng)力機(jī)的葉片短，強(qiáng)度高，尤其適用于強(qiáng)風(fēng)場合，例如南極和北極地區(qū)。,3.3.1 水平軸風(fēng)力機(jī),(5)壓縮風(fēng)能型風(fēng)力機(jī) 是一種特殊設(shè)計(jì)的風(fēng)力機(jī)，圖見教材， 利用裝在葉輪外面的集風(fēng)器或擴(kuò)散筒，提高經(jīng)過風(fēng)輪的空氣密度，或者增加風(fēng)輪兩側(cè)的氣壓差，從而提高風(fēng)能吸收的效果。 還有安裝和成本上的問題需要解決。,3.3.2 垂直軸風(fēng)力機(jī),(1)薩布紐斯式（S

10、式）風(fēng)力機(jī) 芬蘭工程師薩布紐斯發(fā)明，我國簡稱為S式。 通常由兩枚半圓筒形的葉片所構(gòu)成，也有用34枚的。主要靠兩側(cè)葉片的阻力差驅(qū)動(dòng)，能產(chǎn)生很大的扭矩。 但是能夠提供的功率輸出較低，效率最大不超過10%。 為提高效率，可多層重疊（圖見教材）,3.3.2 垂直軸風(fēng)力機(jī),(2)達(dá)里厄型（D式）風(fēng)力機(jī) 法國工程師達(dá)里厄發(fā)明。 常見有、H形結(jié)構(gòu)等（圖見教材）。 有較高的功率輸出，不過它的起動(dòng)扭矩低。 裝置簡單，成本也比較低， 是水平軸風(fēng)力機(jī)的主要競爭者。,(3) S式和D式組合風(fēng)力機(jī) 把輸出性能好的D式風(fēng)力機(jī)和啟動(dòng)性能好的S式風(fēng)力機(jī)組合在一起使用（圖見教材），可以兼顧輸出能力、起動(dòng)力矩和成本。,3.3.2

11、 垂直軸風(fēng)力機(jī),(4)旋轉(zhuǎn)渦輪式風(fēng)力機(jī) 靠壓差推動(dòng)的橫流式風(fēng)力機(jī)，其原理受通風(fēng)機(jī)的啟發(fā)演變而得。教材給出了一種多葉型旋轉(zhuǎn)渦輪式風(fēng)力機(jī)的照片。 結(jié)構(gòu)復(fù)雜價(jià)格也較高，有些能改變槳距，起動(dòng)性能好，能保持一定的轉(zhuǎn)速，效率極高。,3.3.2 垂直軸風(fēng)力機(jī),(5)美格勞斯效應(yīng)風(fēng)力機(jī) 美格勞斯效應(yīng)風(fēng)力機(jī)由自旋的圓柱體組成，在氣流中工作時(shí)，產(chǎn)生的移動(dòng)力由美格勞斯效應(yīng)（參見教材）引起，大小與風(fēng)速成正比。在大的圓形軌道上移動(dòng)的小車上裝上回轉(zhuǎn)的圓筒，由風(fēng)力驅(qū)動(dòng)小車，用裝在小車軸上的發(fā)電機(jī)發(fā)電。,3.4 水平軸風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理,3.4.1 水平軸風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu),目前應(yīng)用較多的是水平軸風(fēng)力機(jī)，且多用螺旋槳型葉片。 水平

12、軸風(fēng)力機(jī)主要包括風(fēng)輪、塔架、機(jī)艙等部分。,風(fēng)輪是由輪轂及安裝于輪轂上的若干葉片(槳葉)組成，是風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能的部件； 塔架是風(fēng)力機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)； 機(jī)艙內(nèi)集中放置調(diào)向裝置、控制裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)等。,3.4.2 水平軸風(fēng)力機(jī)的原理,翼型及其受力,在與飛行器設(shè)計(jì)有關(guān)的空氣動(dòng)力學(xué)中，升力是促使飛行器飛離地面的力，因而被稱為升力。 當(dāng)攻角為0時(shí)，升力最小。當(dāng)氣流方向與物體表面垂直時(shí)，物體受到的阻力最大。,3.4.2 水平軸風(fēng)力機(jī)的原理,伯努利效應(yīng) 空氣的壓力與氣流的速度有一定的對應(yīng)關(guān)系，流速越快，壓力越低，這種現(xiàn)象叫作伯努利效應(yīng)。 翼型上表面凸起部分的氣流較快，上表面的空氣壓力比下表面明顯要低，從而

13、對翼型物體產(chǎn)生向上的“吸入”作用，增大升力。,3.4.2 水平軸風(fēng)力機(jī)的原理,槳距（節(jié)距角） 攻角與葉片的安裝角度有關(guān)。葉片的安裝角稱為節(jié)距角，有時(shí)也稱之為槳距，常用字母表示。 當(dāng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片在垂直于氣流方向的方向上也與氣流有相對運(yùn)動(dòng)，因而實(shí)際的攻角與葉片靜止時(shí)的攻角不一樣。,3.4.2 水平軸風(fēng)力機(jī)的原理,風(fēng)能利用系數(shù) 任何類型風(fēng)力機(jī)都不可能將接觸的風(fēng)能全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。 風(fēng)力機(jī)能夠從風(fēng)中吸取的能量，與風(fēng)輪掃過面積內(nèi)的全部風(fēng)能(未受風(fēng)輪干擾時(shí))之比，稱為風(fēng)能利用系數(shù)。 根據(jù)Betz理論(見教材)，風(fēng)能利用系數(shù)有理論最大值，約0.6。 風(fēng)能利用系數(shù)主要取決于風(fēng)輪葉片的設(shè)計(jì)（如攻角、槳距、翼

14、型）以及制造水平，還和轉(zhuǎn)速有關(guān)。高性能的螺旋槳式風(fēng)力機(jī)，Cp值一般在0.45左右。,3.4.2 水平軸風(fēng)力機(jī)的原理,葉尖速比 葉片尖端旋轉(zhuǎn)速率與上游未受干擾的風(fēng)速之比，稱葉尖速比，常用字母來表示。 風(fēng)能利用系數(shù)Cp與葉尖速比有關(guān)，詳見教材。 當(dāng)取特定值時(shí)Cp值最大，稱之為最佳葉尖速比。,3.4.2 水平軸風(fēng)力機(jī)的原理,容積比 也叫實(shí)度，表示“實(shí)體”在掃掠面積中所占的百分?jǐn)?shù)。 多葉片風(fēng)力機(jī)具有很高的容積比，被稱為高容積比風(fēng)力機(jī)；具有少數(shù)幾個(gè)窄葉片的風(fēng)力機(jī)，則被稱為低容積比風(fēng)力機(jī)。 多個(gè)葉片會(huì)互相干擾，因此總體上高容積比的風(fēng)力機(jī)效率低。不過，空氣動(dòng)力學(xué)噪聲一般較小。 低容積比風(fēng)力機(jī)，如果葉尖速比太

15、低，有些風(fēng)會(huì)直接吹過轉(zhuǎn)子的掃掠面積；如果葉尖速比太高，一些氣流將繞開風(fēng)力機(jī)流過。,3.4.2 水平軸風(fēng)力機(jī)的原理,力矩和轉(zhuǎn)速 風(fēng)力機(jī)機(jī)械能等于葉片角速度與風(fēng)作用于風(fēng)輪的力矩的乘積。 獲取風(fēng)能相同，角速度小，則力矩大；角速度大，則力矩小。 低速風(fēng)力機(jī)的輸出功率小，扭矩系數(shù)大，用于磨面和提水的風(fēng)力機(jī)，常采用多葉片風(fēng)力機(jī)。 高速風(fēng)力機(jī)效率高、輸出功率大，因此風(fēng)力發(fā)電常用23葉片。,3.4.2 水平軸風(fēng)力機(jī)的原理,取自風(fēng)能的功率 風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功率：,一般不易對空氣密度、風(fēng)速、葉片半徑等進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)能捕獲最大化，唯一的控制參數(shù)就是風(fēng)能利用系數(shù)Cp 。 主要是控制葉尖速比和槳距等。

16、,3.4.2 水平軸風(fēng)力機(jī)的原理,工作風(fēng)速 風(fēng)力機(jī)并不是在所有風(fēng)速下都能正常工作。 起動(dòng)風(fēng)速“切入風(fēng)速” ； “額定風(fēng)速” ； 停機(jī)風(fēng)速“切出風(fēng)速” 。,3.4.3 風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)方式,定槳距風(fēng)力機(jī)功率調(diào)節(jié) 風(fēng)輪葉片的槳距角固定不變，利用葉片的失速特性調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)的輸出功率。 在額定風(fēng)速以下，吸收的能量隨流速上升而增加； 當(dāng)超過額定風(fēng)速后，葉片翼型發(fā)生變化，葉片后側(cè)的氣流分離產(chǎn)生湍流，葉片效率急劇下降，輸出功率不隨風(fēng)速上升而增加。 失速型葉片存在扭角，失速從葉片的局部開始，隨風(fēng)速的上升而逐步向葉片全長發(fā)展，起到功率調(diào)節(jié)作用。 定槳距風(fēng)力機(jī)的風(fēng)功率捕獲控制完全依靠葉片的氣動(dòng)性能，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、

17、造價(jià)低、同時(shí)具有較好的安全系數(shù)。缺點(diǎn)是難以對風(fēng)功率的捕獲進(jìn)行精確的控制。,3.4.3 風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)方式,變槳距風(fēng)力機(jī)功率調(diào)節(jié) 通過調(diào)節(jié)槳距角改變?nèi)~片攻角，以改變?nèi)~片的風(fēng)能捕獲能力。 啟動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)槳距角，限制風(fēng)能捕獲以維持風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速恒定。 低于額定風(fēng)速時(shí)，保持槳距角恒定，通過調(diào)速控制使風(fēng)力機(jī)運(yùn)行于最佳葉尖速，維持風(fēng)力機(jī)組在最佳風(fēng)能捕獲效率下運(yùn)行。 高于額定風(fēng)速時(shí)，調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)槳距角，使風(fēng)輪葉片的失速效應(yīng)加深，從而限制風(fēng)能的捕獲。 變槳距功率調(diào)節(jié)可在高于額定風(fēng)速時(shí)保持穩(wěn)定的功率輸出，并且機(jī)組結(jié)構(gòu)受力相對較小。 但是需要槳距調(diào)節(jié)裝置，控制系統(tǒng)復(fù)雜，價(jià)格較高，風(fēng)速跟蹤有延時(shí)，可能導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)瞬間超載。

18、同時(shí)，風(fēng)速的不斷變化會(huì)導(dǎo)致變槳機(jī)構(gòu)頻繁動(dòng)作，損壞后維修費(fèi)用昂貴。,3.5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,3.5.1 風(fēng)電機(jī)組及其構(gòu)成,3.5.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī),常見的風(fēng)力發(fā)電機(jī)類型 （1）恒速恒頻的鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī) （2）變速恒頻的雙饋感應(yīng)式發(fā)電機(jī) （3）變速變頻的直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī),3.5.3 傳動(dòng)和控制機(jī)構(gòu),包括傳動(dòng)結(jié)構(gòu)（例如齒輪箱）、對風(fēng)系統(tǒng)（偏航系統(tǒng)）、限速和制動(dòng)裝置。詳見教材,3.5.4 塔架和機(jī)艙,塔架的高度視地面障礙物對風(fēng)速影響的情況及風(fēng)輪直徑大小而定（詳見教材）,3.6 風(fēng)電場,3.6.1 風(fēng)電場的概念 在風(fēng)力資源豐富的地區(qū)，將數(shù)十臺(tái)至數(shù)千臺(tái)單機(jī)容量較大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組集中安裝在特定場地，按照地

19、形和主風(fēng)向排成陣列，組成發(fā)電機(jī)群，產(chǎn)生數(shù)量較大的電力并送入電網(wǎng)，這種風(fēng)力發(fā)電的場所就是風(fēng)電場。 風(fēng)電場單機(jī)容量小、機(jī)組數(shù)目多。,3.6 風(fēng)電場,更多類型的風(fēng)電場照片，詳見教材3.6節(jié)。,3.6 風(fēng)電場,3.6.2 風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)： （1）沒有直接污染排放； （2）不需要水參與發(fā)電過程； （3）經(jīng)濟(jì)性好。 對環(huán)境的負(fù)面影響： （1）風(fēng)力機(jī)的噪聲； （2）風(fēng)力機(jī)的電磁干擾； （3）視覺影響；等等。,3.7 風(fēng)電的發(fā)展世界,世界之最：（詳見教材） 第一個(gè)風(fēng)力發(fā)電站； 第一臺(tái)螺旋槳式大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)； 第一臺(tái)兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)； 現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)的雛形。,3.7 風(fēng)電的發(fā)展世界,20世紀(jì)70年代以來，隨著世界性能源危機(jī)和環(huán)境