《清洁能源概论》-风能解析.ppt

2一、概述一、概述风的产生风的产生n风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射热引起的。n太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气的对流运动形成风。3一、概述风能总量n据估计，到达地球的太阳能中虽然只有大约2转化为风能，但其总量仍是十分可观的。全球的风能约为2.74l09MW，其中可利用的风能为2107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。 4一、概述风能利用的历史n人类利用风能的历史可以追溯到公元前。我国是世界上最早利用风能的国家之一。公元前数世纪我国人民就利用风力提水、灌溉、磨面、舂米，用风帆推动船舶前进。到了宋代更是我国应用风车的全盛时代，当时流行的垂直轴风车，一直沿用至今。我国历史上著名的科学著作天工开物中记载的“扬郡以风帆数扇，俟风转车，风息则止”，物理小识中描述的“用风帆6幅、车水增田，淮扬海填皆为之”是对当时水平轴风车应用于农业生产的忠实写照。 56一、概述n在国外，公元前2世纪，古波斯人就利用垂直轴风车碾米。10世纪伊斯兰人用风车提水，11世纪风车在中东已获得广泛的应用。13世纪风车传至欧洲，14世纪已成为欧洲不可缺少的原动机。在荷兰，风车先用于莱茵河三角洲湖地和低湿地的汲水，以后又用于榨油和锯木。只是由于蒸汽机的出现，才使欧洲风车数目急剧下降。 78一、概述n数千年来，风能技术发展缓慢，也没有引起人们足够的重视。但自1973年世界石油危机以来，在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为新能源的一部分才重新有了长足的发展。风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力，特别是对沿海岛屿沿海岛屿，交通不便的边远山区边远山区，地广人稀的草原牧场草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、农村、边疆边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。 9一、概述n即使在发达国家发达国家，风能作为一种高效清洁的新能源也日益受到重视。美国早在1974年就开始实行联邦风能计划。其内容主要是：n评估国家的风能资源；n研究风能开发中的社会和环境问题；n改进风力机的性能，降低造价；n主要研究为农业和其他用户用的小于100kW的风力机；n为电力公司及工业用户设计的兆瓦级的风力发电机组。美国已于80年代成功地开发了100、200、2000、2500、6200、7200kW的6种风力机。10一、概述n目前美国已成为世界上风力机装机容量最多的国家，超过2104MW，每年还以10的速度增长。n现在世界上最大的新型风力发电机组已在夏威夷岛建成运行，其风力机叶片直径为97.5m，重144t，风轮迎风角的调整和机组的运行都由计算机控制，年发电量达1000万kWh。n根据美国能源部的统计至1990年美国风力发电已占总发电量的1，发电成本也从3美分/(kW.h)降至1美分/(kW.h)。 11一、概述n我国我国位于亚洲大陆东南、濒临太平洋西岸，季风强盛。季风是我国气候的基本特征，如冬季季风在华北长达6个月，东北长达7个月。东南季风则遍及我国的东半壁。根据国家气象局估计，全国风力资源的总储量为每年16亿kW，近期可开发的约为1.6亿kW；n内蒙古、青海、黑龙江、甘肃等省风能储量居我国前列，年平均风速大于3m/s的天数在200天以上。 12一、概述n我国风力机的发展我国风力机的发展n在50年代末是各种木结构的布篷式风车，n1959年仅江苏省就有木风车20多万台。n到60年代中期主要是发展风力提水机。n70年代中期以后风能开发利用列入“六五”国家重点项目，得到迅速发展。n上世纪80年代中期以后我国先后从丹麦、比利时、瑞典、美国、德国引进一批中、大型风力发电机组。在新疆、内蒙古的风口及山东、浙江、福建、广东的岛屿建立了8座示范性风力发电场。1992年装机容量已达8MW。13一、概述n新疆达坂城的风力发电场装机容量已达3300kw，是全国目前最大的风力发电场。至1990年底全国风力提水的灌溉面积已达2.58万亩。n1997年新增风力发电10万kW。目前我国已研制出100多种不同型式、不同容量的风力发电机组，并初步形成了风力机产业。n目前，我国风电装机容量约有100万千瓦。根据国家发改委的能源中长期发展规划，到2010年，我国风电装机容量要达到500万千瓦， “十一五”期间，全国新增风电装机容量约400万千瓦，未来5年内平均每年要增加80万千瓦。14全国风电场装机概况全国风电场装机概况 2006.615n尽管如此，与发达国家相比，我国风能的开发利用还相当落后，不但发展速度缓慢而且技术落后，远没有形成规模。21世纪我国应在风能的开发利用上加大投入力度，使高效清洁的风能能在我国能源的格局中占有应有的地位。一、概述16二、风况n风的形成 n风的变化 (1)风随时间的变化(2)风随高度的变化 (3)风的随机性变化(4)风玫瑰图n风力等级n风况曲线 17二、风况1.风的形成n对人类来说，风是最熟悉的自然现象。要了解风的形成必须了解包围着地球的大气的运动。大气的流动也像水流一样是从压力高处往压力低处流。太阳能正是形成大气压差的原因。n由于地球自转轴与围绕太阳的公转轴之间存在66.5。的夹角，因此对地球上不同地点，太阳照射角度是不同的，而且对同一地点一年365天中这个角度也是变化的。地球上某处所接受18二、风况n的太阳辐射能正是与该地点太阳照射角的正弦成正比。地球南北极接受太阳辐射能少，所以温度低，气压高；而赤道接受热量多，温度高，气压低。另外地球又绕自转轴每24小时旋转一周，温度、气压昼夜变化。n由于地球表面各处的温度、气压变化，气流就由于地球表面各处的温度、气压变化，气流就会从压力高处向压力低处运动，而形成不同方会从压力高处向压力低处运动，而形成不同方向的风，并伴随不同的气象变化向的风，并伴随不同的气象变化。19二、风况n地形地貌也会影响风的形成地形地貌也会影响风的形成n如海边，由于海水热容量大，接受太阳辐射能后，表面升温慢，陆地热容量小，升温比较快。于是在白天，由于陆地空气温度高，空气上升而形成海面吹向陆地的海陆风。反之在夜晚，海水降温低，海面空气温度高，空气上升而形成由陆地吹向海面的陆海风 。20(a)白昼海陆风海陆风的形成(b)夜间陆海风21二、风况n同样在山区，白天太阳使山上空气温度升高，随着热空气上升，山谷冷空气随之向上运动，形成“谷风”。相反到夜间，空气中的热量向高处散发，气体密度增加，空气沿山坡向下移动，又形成所谓“山风” 。22山谷风 (b)白天“谷风” (a)夜间“山风” 23二、风况2.风的变化(1)风随时间的变化n风随时间的变化，包括每日的变化和季节的变化。通常一天之中风的强弱在某种程度上可以看作是周期性的。如地面上夜间风弱，白天风强；高空中正相反是夜里风强，白天风弱。这个逆转的临界高度约为100150m。24日本川口国际广播电台的无线电铁塔上测得的不同高度处，一天内的风速变化25二、风况n由于季节的变化，太阳和地球的相对位置也发生变化，使地球上存在季节性的温差。因此风向和风的强度也会发生季节性变化。n我国大部分地区风的季节性变化情况是：春季最强，冬季次之，夏季最弱。当然也有部分地区例外，如沿海温州地区，夏季季风员强，春季季风最弱。26二、风况(2)风随高度的变化n从空气运动的角度，通常将不同高度的大气层分为三个区域。离地面2m以内的区域称为底层；2-100m的区域称为下部摩擦层，二者总称为地面境界层；从100-1000m的区段称为上部摩擦层，以上三区域总称为摩擦层。摩擦层之上是自由大气。27大气层的构成28二、风况n地面境界层内空气流动受涡流、黏性和地面植物及建筑物等的影响，风向基本不变，但越往高处风速越大。各种不同地面情况下，城市、乡村和海边平地，其风速随高度的变化如下图所示。29不同地面上风速和高度的关系30n关于风速随高度而变化的经验公式很多：通常采用所谓指数公式，即 m/s (4-1)n式中v距地面高度为h处的风速，m/s；nv1高度为h1处的风速，m/s；nn经验指数，它取决于大气稳定度和地面粗糙度，其值约为1/21/80。nhhvv11二、风况31二、风况n对于地面境界层，风速随高度的变化则主要取决于地面粗糙度。不同地面情况的地面粗糙度如表4-1所示。此时计算近地面不同高度的风速时仍采用式(4-1)，只是用代替式中的指数n。表 4-1 不同地面情况下的粗糙度地面情况粗糙度地面情况粗糙度光滑地面，硬地面，海洋0.10树木多，建筑物极少0.22-0.24草地0.14森林，村庄0.280.30城市平地，有较高草地，树木极少0.16城市有较高建筑0.40高的农作物，篱笆，树极少0.2032二、风况(3)风的随机性变化n如果用自动记录仪来记录风速，就会发现风速是不断变化的，一般所说的风速是指变动部位的平均风速。通常自然风是一种平均风速与瞬间激烈变动的紊流相重合的风。紊乱气流所产生的瞬时高峰风速也叫阵风风速。下图表示了阵风和平均风速的关系。33阵风和平均风速a-阵风振幅；b-阵风的形成时间；c-阵风的最大偏移量；d-阵风消失时间34二、风况(4)风玫瑰图n “风玫瑰图”是一个给定地点一段时间内的风向分布图。通过它可以得知当地的主导风向。n最常见的风玫瑰图是一个圆一个圆，圆上引出1616条放条放射线射线，它们代表16个不同的方向，每条直线的长度与这个方向的风的频度风的频度成正比。静风的频度放在中间。有些风玫瑰图上还指示出了各风向的风速范围风速范围。n季风的风玫瑰图如下图所示。3536图4-7风玫瑰图(a)风向的16个方位；(b)风玫瑰示意图3738二、风况n3.风力等级n世界气象组织将风力分为13个等级，如表4-2所示，在没有风速计时可以根据它来粗略估计风速。39表 4-2 气象风力等级表级别风速m/s陆地海上浪高m0小于 0.3静烟直上海面如镜-10.3-0.6烟能表示风向，但风标不能转动出现鱼鳞似的微波0.121.6-3.4人的脸都感到有风，树叶微响，风标能转动小波浪清晰，出现浪花，但并不翻滚0.233.4-5.5树叶和细树枝摇动不息，旌旗展开小波浪增大，浪花开始翻滚，水泡透明像玻璃，并且到处出现白浪0.645.5-8.0沙尘飞扬，纸片飞起，小树枝摇动小波浪增长，白浪增多158.0-10.8有树叶的灌木摇动，池塘内的水面有小波浪波浪中等，浪延伸更清楚，白浪更多（有时出现飞沫）2610.8-13.9大树枝摇动，电线发出响声，举伞困难开始产大的波浪，到处呈现白沫，浪花的范围更大（飞沫更多）3二、风况40二、风况级别风速m/s陆地海上浪高m713.9-17.2整个树摇动，人迎风行走不便浪大，浪翻滚，白沫象带子一样随风飘动4817.2-20.8小的树枝折断，迎风行走困难波浪加大变长，浪花顶端出现水雾，泡沫象带子一样清楚地随风飘动5.5920.8-24.5建筑物有轻微损坏（如烟囱倒塌，瓦片飞出）出现大的波浪，泡沫呈粗的带子随风飘动，浪前倾，翻滚，到卷，飞沫挡住视线71024.5-28.5陆上少见，可使树木连根拔起或将建筑物严重损坏浪变长，形成更大的波浪，大块的泡沫象白色带子随风飘动，整个海呈白色，波浪翻滚91128.5-32.7陆地上很少见，有则必引起严重破坏浪大高如山（中小船舶有时被波浪浪挡住而看不见） ，海面全被随风流动的泡沫覆盖。浪花顶端刮起水雾，视线受到阻挡1151232.7 以上空气里充满水泡和飞沫，海面由于溅起的飞沫变成一片白色，影响视线1441二、风况4.风况曲线n风况曲线是风能利用的基础资料。n它是将全年8760h)风速在v(m/s)以上的时间作为横坐标，纵坐标则为风速v(见图4-8)，n从风况曲线即可知道该地区某种风速以上有多少小时，从而制定相应的风能利用计划。42日本石廊崎等地区的风况曲线43三、风能利用可以用下面的简单公式来估算风能： 风速为p的流动空气的动能E为 E(1/2)mv2，其中m为流体空气的质量。如果用表示流动空气的密度，则每平方米面积上流过的空气质量为v；因此每平方米面积上风速为v的风的能量密度P为： P(1/2)vv2(1/2)v3W/m244三、风能利用n显然风速风速v v愈高，风力机可能获得的风能愈高，风力机可能获得的风能P P也愈也愈大大，因此风力机应安装在风速大的地方，而且风力机的迎风面积越大，所获得的风能也越多风力机的迎风面积越大，所获得的风能也越多。值得注意的是，由于流经风力机后，风速不可能为零，因此风所拥有的能量并不能完全被利用，也就是说只有风能的一部分被转换成风力机桨叶的机械能，然后这一机械能再被利用来提水，碾米或转换成电能。45三、风能利用n由于空气的密度仅仅是水密度的1/816，因此与水能相比，在相同的流速下，风能的能流密度是很低的。风能和其他能源的能流密度之比见表4-3。由于风能能流密度低就给其利用带来一定的困难。46表 43 不同能源的能流密度能源类别能流密度kW/m2能源类别能流密度kW/m2风能(风速 3m/s)0.02潮汐能(潮差 10m)100水能(流速 3m/s)201.0波浪能(波高 2m)30太阳能 晴天平均 昼夜平均0.16风能目前主要用于以下几方面：47三、风能利用风力发电n利用风力发电已越来越成为风能利用的主要形式，受到世界各国的高度重视，而且发展速度最快。风力发电通常有三种运行方式三种运行方式。一是独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，它用蓄电池蓄能，以保证无风时的用电。二是风力发电与其他发电方式(如柴油机发电)相结合，向一个单位或一个村庄或一个海岛供电。三是风力发电并入常规电网运行，向大电网提供电力；常常是一处风场安装几十台甚至几百台风力发电机，这是风力发电的主要发展方向。表4-4是美国小型风力发电系统的设计指标。481kW 系统8 kW 系统40 kW 系统输出功率1kW 以上、电压 120V、直流发电机与蓄电池配套使用8W 以上、 60Hz， 120/240V（与煤气发电系统连接）三相、60Hz、240/480V（独立电源或与电力网连接）额定风速9m/s9m/s9m/s（水平轴型风车，转 速 为 400 、 800 、1760r/min）风速控制范围尽可能宽，但要考虑经济性尽可能宽最高风速为 27m/s 以上能经受风速75m/s75m/s56m/s 以上使用年限25 年以上25 年以上30 年以上可靠性平均 10 年内无损坏制造成本1500 美元/kW 以下750 美元/kW500 美元/kW主要设备风机、传动机构、发电机、调节器（塔架、基建、蓄电池自由选择）风机、传动机构、发电机、调节器、塔架（蓄电池、逆变器、其他设备、基建自由选择）风机、传动机构、发电机、调节器、塔架、动力输出装置（基建自由选择）表4-4 美国小型风力发电系统的设计指标49三、风能利用风帆助航n在机动船舶发展的今天，为节约燃油和提高航速，古老的风帆助航也得到了发展。航运大国日本已在万吨级货船上采用电脑控制的风帆助航，节油率达15。50三、风能利用风力致热n随着人民生活水平的提高，家庭用能中热能的需要越来越大，特别是在高纬度的欧洲、北美取暖，煮水是耗能大户。为解决家庭及低品位工业热能的需要，风力致热有了较大的发展。“风力致热”是将风能转换成热能。目前有三种转换方法三种转换方法。一是风力机发电，再将电能通过电阻丝发热，但风能转换成电能的效率却很低、因此从能量利用的角度看，这种方法是不可取的。二是由风力机将风能转换成空气压缩能，再转换成热能，即由风力机带动一离心压缩机，对空气进行绝热压缩而放出热能。三是将风力机直接转换成热能。显然第三种方法致热效率最高。51三、风能利用n风力机直接转换热能也有多种方法。最简单的是搅拌液体致热即风力机带动搅拌器转动，从而使液体(水或油)变热。“液体挤压致热”是用风力机带动液压泵，使液体加压后再从狭小的阻尼小孔中高速喷出而使工作液体加热。此外还有团体摩擦致热和涡电流致热等方法。52风力热水装置示意图53四、风力机n风力机又称风车，是一种将风能转换成机械能、电能或热能的能量转换装置。风力机的类型很多，通常将其分为水平轴风力机，垂直轴风力机和特殊风力机三大类三大类。但应用最广的还是前两种类型的风力机。54四、风力机1.水平轴风力机n水平轴风力机是目前国内外最常见的一种风力机。图4-10表示了目前应用最广的各种不同迎风式水平轴风力机的示意图。55图4-10 各种不同迎风式水平轴风力机示意图(a)单叶片；(b)双叶片；(c)三叶片；(d)美国农场式多叶片风车；(e)车轮式多叶片风车；(f)逆风式；(g)背风式；(h)空心压差式；(i)帆翼式；(j)多转子；(k)反转叶片式56四、风力机2.垂直轴风力机n垂直轴风力机叶轮的转动与风向无关，因此不需要像水平抽风力机那样采用迎风装置，但其输出功率一般比水平轴风力机小。图4-11为各种不同的垂直轴风力机的示意图。57图4-11各种不同垂直轴风力机示意图(a)竖轴风机（阻力型）；(b)竖轴风机（升力型）1-S型；2-多叶片型；3-开裂式S型；4-平板式；5-型达里厄；6-型达里厄；7-旋翼型58四、风力机n风力机的效率主要取决于风轮效率、传动效率、贮能效率、发电机和其他工作机具的效率。图4-12给出了各种不同用途风力机各主要构成部分的能量转换和贮存效率。59图4-12 风能利用装置中各主要部分的能量转换和贮存效率