清洁能源概论风能解析学习教案.pptx

会计学1清洁能源清洁能源(nngyun)概论风能解析概论风能解析第一页，共59页。2一、概述一、概述(i sh)风的产生风的产生风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射热引起的。射热引起的。太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而同，产生温差，从而(cng r)(cng r)引起大气引起大气的对流运动形成风。的对流运动形成风。第1页/共59页第二页，共59页。3一、概述一、概述(i sh)(i sh)风能总量据估计，到达(dod)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。第2页/共59页第三页，共59页。4一、概述一、概述(i sh)(i sh)风能利用的历史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(nngy)生产的忠实写照。第3页/共59页第四页，共59页。5第4页/共59页第五页，共59页。6一、概述一、概述(i sh)(i sh)n n在国外，公元前2世纪，古波斯人就利用(lyng)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。第5页/共59页第六页，共59页。7第6页/共59页第七页，共59页。8一、概述一、概述(i sh)(i sh)n 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19731973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，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网和岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一近期内电网还难以达到的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要种可靠途径，有着十分重要(zhngyo)(zhngyo)的意义。的意义。第7页/共59页第八页，共59页。9一、概述一、概述(i sh)(i sh)n n即使在发达国家，风能作为即使在发达国家，风能作为(zuwi)(zuwi)一种高效清洁的新一种高效清洁的新能源也日益受到重视。美国早在能源也日益受到重视。美国早在19741974年就开始实行联邦年就开始实行联邦风能计划。其内容主要是：风能计划。其内容主要是：n n评估国家的风能资源；评估国家的风能资源；n n研究风能开发中的社会和环境问题；研究风能开发中的社会和环境问题；n n改进风力机的性能，降低造价；改进风力机的性能，降低造价；n n主要研究为农业和其他用户用的小于主要研究为农业和其他用户用的小于100kW100kW的风力机；的风力机；n n为电力公司及工业用户设计的兆瓦级的风力发电机组。为电力公司及工业用户设计的兆瓦级的风力发电机组。n n美国已于美国已于8080年代成功地开发了年代成功地开发了100100、200200、20002000、25002500、62006200、7200kW7200kW的的6 6种风力机。种风力机。第8页/共59页第九页，共59页。10一、概述一、概述(i sh)(i sh)n n目前美国已成为世界上风力机装机容量最多的国家，超过目前美国已成为世界上风力机装机容量最多的国家，超过2 2104MW104MW，每年，每年(minin)(minin)还以还以1010的速度增长。的速度增长。n 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直径为97.5m97.5m，重，重144t144t，风轮迎风角的调整和机组的运行都由计算机控制，风轮迎风角的调整和机组的运行都由计算机控制，年发电量达年发电量达10001000万万kWhkWh。n n根据美国能源部的统计至根据美国能源部的统计至19901990年美国风力发电已占总发电量的年美国风力发电已占总发电量的1 1，发电成，发电成本也从本也从3 3美分美分/(kW.h)/(kW.h)降至降至1 1美分美分/(kW.h)/(kW.h)。第9页/共59页第十页，共59页。11一、概述一、概述(i sh)n n我国位于我国位于我国位于我国位于(wiy)(wiy)(wiy)(wiy)亚洲大陆东南、濒临太平洋西岸，季风强盛。季风是我亚洲大陆东南、濒临太平洋西岸，季风强盛。季风是我亚洲大陆东南、濒临太平洋西岸，季风强盛。季风是我亚洲大陆东南、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国气候的基本特征，如冬季季风在华北长达国气候的基本特征，如冬季季风在华北长达国气候的基本特征，如冬季季风在华北长达6 6 6 6个月，东北长达个月，东北长达个月，东北长达个月，东北长达7 7 7 7个月。东个月。东个月。东个月。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储量为每年储量为每年储量为每年16161616亿亿亿亿kWkWkWkW，近期可开发的约为，近期可开发的约为，近期可开发的约为，近期可开发的约为1.61.61.61.6亿亿亿亿kWkWkWkW；n 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，年平均风速大于于于于3m/s3m/s3m/s3m/s的天数在的天数在的天数在的天数在200200200200天以上。天以上。天以上。天以上。第10页/共59页第十一页，共59页。12一、概述一、概述(i sh)n n我国风力我国风力(fngl)(fngl)机的发展机的发展n n在在5050年代末是各种木结构的布年代末是各种木结构的布篷式风车，篷式风车，n n19591959年仅江苏省就有木风车年仅江苏省就有木风车2020多万台。多万台。n n到到6060年代中期主要是发展风力年代中期主要是发展风力(fngl)(fngl)提水机。提水机。n n7070年代中期以后风能开发利用年代中期以后风能开发利用列入列入“六五六五”国家重点项目，国家重点项目，得到迅速发展。得到迅速发展。n n上世纪上世纪8080年代中期以后我国先年代中期以后我国先后从丹麦、比利时、瑞典、美后从丹麦、比利时、瑞典、美国、德国引进一批中、大型风国、德国引进一批中、大型风力力(fngl)(fngl)发电机组。在新疆、发电机组。在新疆、内蒙古的风口及山东、浙江、内蒙古的风口及山东、浙江、福建、广东的岛屿建立了福建、广东的岛屿建立了8 8座座示范性风力示范性风力(fngl)(fngl)发电场。发电场。19921992年装机容量已达年装机容量已达8MW8MW。第11页/共59页第十二页，共59页。13一、概述一、概述(i sh)n n新疆达坂城的风力发电场装机容量已达新疆达坂城的风力发电场装机容量已达3300kw3300kw，是全国，是全国(qun u)(qun u)目前最大的风力发目前最大的风力发电场。至电场。至19901990年底全国年底全国(qun u)(qun u)风力提水的灌溉面积已达风力提水的灌溉面积已达2.582.58万亩。万亩。n n19971997年新增风力发电年新增风力发电1010万万kWkW。目前我国已研制出。目前我国已研制出100100多种不同型式、不同容量的风力发多种不同型式、不同容量的风力发电机组，并初步形成了风力机产业。电机组，并初步形成了风力机产业。n n目前，我国风电装机容量约有目前，我国风电装机容量约有100100万千瓦。根据国家发改委的能源中长期发展规划，到万千瓦。根据国家发改委的能源中长期发展规划，到20102010年，我国风电装机容量要达到年，我国风电装机容量要达到500500万千瓦，万千瓦，“十一五十一五”期间，全国期间，全国(qun u)(qun u)新新增风电装机容量约增风电装机容量约400400万千瓦，未来万千瓦，未来5 5年内平均每年要增加年内平均每年要增加8080万千瓦。万千瓦。第12页/共59页第十三页，共59页。14全国风电场装机概况全国风电场装机概况 2006.6第13页/共59页第十四页，共59页。15n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(fzhn)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(i sh)第14页/共59页第十五页，共59页。16二、风况二、风况n n风的形成 n n风的变化 n n(1)风随时间的变化n n(2)风随高度(god)的变化 n n(3)风的随机性变化n n(4)风玫瑰图n n风力等级n n风况曲线 第15页/共59页第十六页，共59页。17二、风况二、风况1.风的形成对人类来说，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。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(zhosh)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。地球上某处所接受第16页/共59页第十七页，共59页。18二、风况二、风况n 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，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温度高，气压低。另外地球又绕自转轴每2424小时小时(xiosh)(xiosh)旋转一旋转一周，温度、气压昼夜变化。周，温度、气压昼夜变化。n n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，而形成不同方向的风，并伴随不同的气象变化。力低处运动，而形成不同方向的风，并伴随不同的气象变化。第17页/共59页第十八页，共59页。19二、风况二、风况n 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 n如海边，由于海水热容量大，接受太阳如海边，由于海水热容量大，接受太阳(tiyng)(tiyng)辐射能后，表面升温慢，陆地热辐射能后，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陆地吹向海面的陆海风 。第18页/共59页第十九页，共59页。20(a)白昼(bizhu)海陆风海陆风的形成(xngchng)(b)夜间(y jin)陆海风第19页/共59页第二十页，共59页。21二、风况二、风况n 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(xin xi)移动，又形成所谓“山风”。第20页/共59页第二十一页，共59页。22山谷风(b)白天(bi tin)“谷风”(a)夜间(y jin)“山风”第21页/共59页第二十二页，共59页。23二、风况二、风况2.风的变化(1)风随时间的变化风随时间的变化，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(ky)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。第22页/共59页第二十三页，共59页。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(fn s)变化第23页/共59页第二十四页，共59页。25二、风况二、风况n 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(cnzi)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 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。第24页/共59页第二十五页，共59页。26二、风况二、风况(2)风随高度的变化从空气运动的角度，通常将不同高度的大气层分为三个区域。离地面2m以内(y ni)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。第25页/共59页第二十六页，共59页。27大气层的构成(guchng)第26页/共59页第二十七页，共59页。28二、风况二、风况n n地面境界层内空气流动(lidng)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。第27页/共59页第二十八页，共59页。29不同地面上风速和高度(god)的关系第28页/共59页第二十九页，共59页。30n n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(zhsh)公式，即n n m/s (4-1)n n式中v距地面高度为h处的风速，m/s；n nv1高度为h1处的风速，m/s；n nn经验指数(zhsh)，它取决于大气稳定度和地面粗糙度，其值约为1/21/80。二、风况第29页/共59页第三十页，共59页。31二、风况二、风况n 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面情况的地面粗糙度如表如表4-14-1所示。此时计算近地面不同高度的风速时所示。此时计算近地面不同高度的风速时仍采用式仍采用式(4-1)(4-1)，只是，只是(zhsh)(zhsh)用用代替式中的指数代替式中的指数n n。第30页/共59页第三十一页，共59页。32二、风况二、风况(3)风的随机性变化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(qli)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。第31页/共59页第三十二页，共59页。33阵风(zhn fn)和平均风速a-阵风(zhn fn)振幅；b-阵风(zhn fn)的形成时间；c-阵风(zhn fn)的最大偏移量；d-阵风(zhn fn)消失时间第32页/共59页第三十三页，共59页。34二、风况二、风况(4)风玫瑰图“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。最常见的风玫瑰图是一个圆，圆上引出16条放射线，它们代表(dibio)16个不同的方向，每条直线的长度与这个方向的风的频度成正比。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。季风的风玫瑰图如下图所示。第33页/共59页第三十四页，共59页。35第34页/共59页第三十五页，共59页。36图4-7风玫瑰图(a)风向的16个方位(fngwi)；(b)风玫瑰示意图第35页/共59页第三十六页，共59页。37第36页/共59页第三十七页，共59页。38二、风况二、风况n n3.3.风力等级风力等级n n世世界界气气象象组组织织将将风风力力分分为为1313个个等等级级，如如表表4-24-2所所示示，在在没有风速计时可以根据没有风速计时可以根据(gnj)(gnj)它来粗略估计风速。它来粗略估计风速。第37页/共59页第三十八页，共59页。39二、风况第38页/共59页第三十九页，共59页。40二、风况第39页/共59页第四十页，共59页。41二、风况二、风况4.4.风况曲线风况曲线风况曲线是风能利用的基础资料。风况曲线是风能利用的基础资料。它它是是将将全全年年8760h)8760h)风风速速在在v(m/s)v(m/s)以以上上的的时时间间作作为为横横坐坐标标，纵纵坐坐标标则则为为风风速速v(v(见见图图4-8)4-8)，从从风风况况曲曲线线即即可可知知道道该该地地区区某某种种风风速速以以上上有有 多多 少少 小小 时时，从从 而而 制制 定定 相相 应应(xingyng)(xingyng)的风能利用计划。的风能利用计划。第40页/共59页第四十一页，共59页。42日本(r bn)石廊崎等地区的风况曲线第41页/共59页第四十二页，共59页。43三、风能三、风能(fn nn)利用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(qzhng)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/m2第42页/共59页第四十三页，共59页。44三、风能三、风能(fn nn)利用利用n n显显然然风风速速v v愈愈高高，风风力力机机可可能能获获得得的的风风能能P P也也愈愈大大，因因此此风风力力机机应应安安装装在在风风速速大大的的地地方方，而而且且风风力力机机的的迎迎风风面面积积越越大大，所所获获得得的的风风能能也也越越多多。值值得得注注意意的的是是，由由于于流流经经风风力力机机后后，风风速速不不可可能能为为零零，因因此此风风所所拥拥有有的的能能量量并并不不能能完完全全被被利利用用，也也就就是是说说只只有有(zhyu)(zhyu)风风能能的的一一部部分分被被转转换换成成风风力力机机桨桨叶叶的的机机械械能能，然然后后这这一一机机械械能能再再被利用来提水，碾米或转换成电能。被利用来提水，碾米或转换成电能。第43页/共59页第四十四页，共59页。45三、风能三、风能(fn nn)利用利用n n由于空气的密度仅仅是水密度的1/816，因此与水能相比(xin b)，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。第44页/共59页第四十五页，共59页。46风能(fn nn)目前主要用于以下几方面：第45页/共59页第四十六页，共59页。47三、风能三、风能(fn nn)利用利用风力发电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(fzhn)速度最快。风力发电通常有三种运行方式。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(fzhn)方向。表4-4是美国小型风力发电系统的设计指标。第46页/共59页第四十七页，共59页。48表4-4 美国小型风力(fngl)发电系统的设计指标第47页/共59页第四十八页，共59页。49三、风能三、风能(fn nn)利用利用风帆助航在机动船舶发展的今天，为节约燃油和提高航速(hn s)，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。第48页/共59页第四十九页，共59页。50三、风能三、风能(fn nn)利用利用风力致热随着人民生活(shnghu)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。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。第49页/共59页第五十页，共59页。51三、风能三、风能(fn nn)利用利用n n风力机直接转换热能(rnng)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。第50页/共59页第五十一页，共59页。52风力热水(r shu)装置示意图第51页/共59页第五十二页，共59页。53四、风力机四、风力机n 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(nngling)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。但应用最广的还是前两种类型的风力机。第52页/共59页第五十三页，共59页。54四、风力机四、风力机1.水平轴风力机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(yngyng)最广的各种不同迎风式水平轴风力机的示意图。第53页/共59页第五十四页，共59页。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(mi u)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)反转叶片式第54页/共59页第五十五页，共59页。56四、风力机四、风力机2.垂直轴风力机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(zhn)不同的垂直轴风力机的示意图。第55页/共59页第五十六页，共59页。57图4-11各种(zhn)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-旋翼型第56页/共59页第五十七页，共59页。58四、风力机四、风力机n n风力机的效率主要取决于风轮效率、传动(chundng)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。第57页/共59页第五十八页，共59页。59图4-12 风能(fn nn)利用装置中各主要部分的能量转换和贮存效率第58页/共59页第五十九页，共59页。