新能源与节能技术4-风能.ppt
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第四章风能,风能资源,太阳光从上而下照射大气层,使之升温。
又由于地球的自转和公转,地面附近各处受热不均,大气温差发生变化,引起空气流动。
空气在水平方向上的流动就形成了风。
由于风有一定的质量和速度,并且有一定温度,因此它具有能量。
太阳辐射到地球的光能大约有2转变为风能。
尽管如此,风能的数量依然很大。
据估计,全球的全部风能约为27400亿千瓦,可开发利用的风能约有200亿千瓦,它相当于全球目前每年耗煤能量的1000倍以上,比地球可开发利用的水能总量要大10倍。
中国是季风盛行的国家,风能资源量大面广。
风能理论总储量约为16亿千瓦,可利用的风能资源约2.5亿千瓦。
据气象部门多年观测资料,中国风能资源较好的地区为东部沿海及一些岛屿;内陆沿东北、内蒙古、甘肃至新疆一带,风能资源也较丰富。
平均风能密度150300W/m2,一年中有效风速超过3m/s的时间为40008000小时。
近十年来,全球的风电发展迅速,自1995年以来,世界风能发电以48.7的速率增长,即几乎增加近5倍。
2007年底全球装机容量为13932MW(5个半核电厂),自20世纪90年代以来,全球风电的增长,每年为40(和移动电话的成长可比美),仅德国2007年一年就装了1568MW(半个核电厂),超过了其他传统的发电总合。
风能同其他能源相比,具有明显的优势,它蕴藏量大、分布广、永不枯竭、可再生、无污染,是一种可就地应用的、干净的自然能源。
但风能也存在着突出的局限性,它的能量密度低、不稳定、地区差异性大。
这些成了风能技术发展缓慢的重要原因。
受地理环境、季节、昼夜等因素的影响,要充分、有效地利用风能比较困难,需要综合运用高新技术。
就学科而言,它涉及空气动力学、电机学、结构力学、材料学、气象学和控制论等。
风作为动态现象,它随着时间、离地高度、地形、地物和周围环境的不同而变化。
同一地区,一天之内,风的强弱也会不同;在地面,白天风可能大些,而夜间可能小些;在高空却往往是夜间风大些,而白天却可能小些;在沿海,由于陆地和海洋的热容量不同,白天产生海风,从海面吹向陆地;夜间则产生陆风,从陆地吹向大海。
一、天然风是人类的巨大能源,二、风的产生与特性1、风的产生风是怎样产生的?
风的能量来自何方?
根据气象学家的解释,风是由于空气流动而产生的。
地球表面被厚厚一层称为大气层的空气所包围,由于太阳辐射与地球的自转、公转,以及河流、海洋、山岳及沙漠等地表的差异,地面各处受热不均匀,造成了各地区热传播的显著差别,大气的温差不同,于是高压区空气就向低压区流动,在水平方向的空气流动就构成风。
大气移动的最终结果是要使全球各地的热能分布均匀,于是赤道暖空气向两极移动,两极冷空气向赤道移动。
所以大气压力差是风产生的根本原因。
2、风的特性风是随时随地可以产生的,它的方向不定、大小不同。
在气象学上,把空气的不规则运动称为“紊流”,垂直方向的运动叫做“对流”,所以风特别强调相对于地面水平方向的运动。
风速随高度的增加而变化。
地面上风速较低的原因是由于地表植物、建筑物以及其他障碍物的磨擦所造成的。
经测量,在离地面20m处的风速为2ms,而在离地300m处则变成78ms。
风速沿高度的相对增加量因地而异,大致上可以用下式表示:
式中:
高度为H(m)时的风速,ms;高度为H0(m)时的风速,ms。
地面风速与高度的关系典型分布;(b)不同地形地面风速与高度的关系1大城市;2城市及多树农村;3平原、沿海,风除了具有随机性,以及随高度增加而增大等特性外,其季节性变化的特点也很明显,日夜变化也有规律。
大陆与海洋的热容量不同,陆地的比热比海洋小,即海水热容量大,升温慢,陆地热容量小,升温快,气压低,空气容易上升,白天海风多刮向陆地,而夜间陆风常刮向海洋。
由于地形不同,风的形成也不同,太阳辐射山顶受热快,白天山风上升,夜间山风向下。
上述原因构成了风的周期性、多样性和复杂性。
三、风的能量与测量风具有一定的质量和速度,因而它具备产生能量的基本要素。
认识风能资源,首先要了解有关风能的一些主要特性参数,如风能、风能密度、风速与风级、风向与风频以及风的测量等,从而了解风的基本知识。
1、风能空气运动产生的动能称为“风能”,由流体力学可知,气流的动能为:
式中:
气体的质量;气体的流速。
设单位时间内气流通过面积为S的截面的气体体积为,则如果以表示空气的密度,于是该体积的空气质量为:
此时气流所具有的动能为:
2、风能密度风能密度是估计风能潜力大小的一个重要指标,其定义为单位时间内通过单位截面积的风能。
风能密度的公式为:
从上式可知,风能密度是空气质量密度和风速的函数。
值的大小随气压、气温和湿度等大气条件的变化而变化。
3、有效风能密度实际上,风能不可能全部转换成机械能,也就是说,风力机不能获得全部理论上的能量,它受到多种因素的限制。
当风速由0逐渐增加达到某一风速(切入风速)时,风力机才开始提供功率。
然后,风速继续增加,达到某一确定值(额定风速),在该风速下风力机提供额定功率或正常功率。
超过该值时,利用调节系统,输出功率将保持常数。
如果风速继续再增加到某一值(切断风速)时,出于安全考虑,风力机应停止运转。
4、风速与风级风速就是空气在单位时间内移动的距离,国际上的单位是米/秒(m/s)或千米/小时(km/h)。
由于风时有时无、时小时大且不断变化,每一瞬时的速度都不相同,所以通常所说的风速是指在一段时间内的平均值,即平均风速,如日平均风速、月平均风速或年平均风速等。
风速的分布与气候、地形等因素有关,取值方法不同也会引起风能计算的很大误差。
我国现行的风速观测有一日4次定时2min平均风速和1日24次自动记录l0min平均风速两种。
零级无风炊烟上,002米秒一级软风烟稍斜,0315米秒二级轻风树叶响,1633米秒三级微风树枝晃,3454米秒四级和风灰尘起,5579米秒五级清风水起波,80一107米秒六级强风大树摇,10813.8米秒七级疾风步难行,13917l米秒八级大风树枝折,172207米秒九级烈风烟囱毁,208244米秒十级狂风树根拔,245284米秒十一级暴风很罕见,285326米秒十二级飓风浪涛天327369米秒,5、风向与风频风是具有大小和方向的矢量,通常把风吹来的地平方向定为风的方向,即风向。
如空气由东向西流动叫东风,由南向北流动叫南风,以此类推。
在陆地上一般用16个方位来表示不同的风向。
风频是指风向的频率,即在一定时间内某风向出现的次数占各风向出现总次数的百分比,通常以下式计算:
某风向频率某风向出现的次数/风向的总观测次数100,风频玫瑰图风速频率分布曲线,6、风的测量风的测量包括风向测量和风速测量两项,风向和风速随时间的变化是很大的,估算风能资源必须测量每日、每年的风速、风向,了解其变化的规律。
作为计算风能资源基本依据的每小时风速值有3种不同的测算方法:
1)将每小时内测量的风速值取平均值;2)将每小时最后l0min内测量的风速值取平均值;3)在每小时内选几个瞬时测量风速值再取其平均值。
风能利用,风能利用历史悠久,我国是世界上最早利用风能的国家之一。
风能是利用风力机将风能转化为电能、热能、机械能等各种形式的能量,用于发电、提水、助航、致冷和致热等。
风力提水风力提水是风能在农业上的重要应用项目,所谓“提水机”,就是把低处水提高到高处去的风力机。
这种风力一般可提水扬程为60200米,风轮由18或36个叶片组成,尾舵调向。
提水机具多用拉杆泵,部分使用膜片泵,螺旋泵等。
通常根据扬程高度分别选用不同泵型,一般低于5米时采用膜片泵,高于10米时采用活塞泵。
有的国家用高速风力机配离心式水泵,用以进行低扬程大流量提水。
还有的采用风电提水的风能提水系统。
风力致热为了解决小型家用和低品位工业热能需要,可采用风力致热装置。
所谓“风力致热”,就是将风能转换为热能。
一般有三种方法:
一种是由风力机进行发电,再转换成热能;第二种是由风力机转换成空气压缩能,再转换成热能;第三种是风力机直接转换成热能。
以第三种直接致热的效率最高,可达30。
风力机直接转换成热能有4种方法,即液体挤压、液体搅拌、固体摩擦和涡电流。
风帆助航,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。
风力发电从能量转换的角度来看,风力发电机组包括两大部分:
一部分是风力机,由它将风能转换为机械能;另一部分是发电机,由它将机械能转换为电能。
一切在气流中能产生旋转或摆动的机械运动都是风能转换的形式,可用于这类机械转换的系统就叫风能转换系统,其中以旋转运动为特征的风力机得到了最广泛的应用。
风力发电,风力发电通常有三种运行方式:
一是独立运行方式,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相结合;三是风力发电并入常规电网运行。
风力机,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。
但应用最广的还是前两种类型的风力机。
风车功率与风轮直径的平方、风速的立方、风轮的功率因素成正比,与叶片数无直接关系。
3雷诺数4叶片表面粗糙度,1翼型,2攻角,影响升力系数和阻力系数的因数,风轮功率影响因数分析,一、水平轴风力机风力机的风轮轴与地面呈水平状态,称水平轴风力机(见图)。
它一般由风轮、增速器、调速器、调向装置、发电机和塔架等部件组成,大中型风力机还有自动控制系统。
这种风力机的功率从几十千瓦到数兆瓦,是目前最具有实际开发价值的风力机。
水平轴风力机,风力机工作过程,风力机叶片转动的原理,目前世界上比较成熟的并网型风力发电机组多采用水平轴风力机,其形式多种多样,常见的水平轴风力机类型有:
单叶片式;双叶片式:
三叶片式;多叶片风车式;车轮式多叶片风车式;迎风式;背风式等。
典型的大型风力发电机组通常主要由叶轮、传动系统、发电机、调向机构及控制系统等几大部分组成。
在风力机中,不同翼型的升阻比关系为流线型弧板型平板型;风力机的叶片表面粗造度小,阻力就小,而对升力影响不大。
其基本结构如下图所示。
WTC型风力机内部结构示意图,水平轴中大型容量(600kW)风力发电机组结构1-轮毂(安装叶片)2-传动系统3-齿轮箱4-刹车系统5-发电机6-塔架7-风速风向仪,大型风力发电机组基本结构1-导流罩2-轮毂3-叶片4-叶尖刹车控制系统5-集电环6-主轴7-收缩盘8-锁紧装置9-齿轮箱10-刹车片11-刹车片厚度检测器12-万向联轴器13-发电机14-安全控制箱15-舱盖开启阀16-刹车汽缸17-机舱18-偏航电机19-偏航齿轮20-偏航圆盘21-偏航锁定22-土电缆23-风向风速仪24-梯子(未画出)25-控制线(未画出)26-平台(未画出)27-塔筒28-振动传感器29-舱盖,风力发电机偏航系统控制由于风能具有能量密度低、随机性和不稳定性等特点,风力发电机组是复杂多变量非线性不确定系统,因此,控制技术是机组安全高效运行的关键。
偏航控制系统成为水平轴风力发电机组控制系统的重要组成部分。
风力发电机组的偏航控制系统,主要分为两大类:
被动迎风偏航系统和主动迎风系统。
前者多用于小型的独立风力发电系统,由尾舵控制,风向改变时,被动对风。
后者则多用大型并网型风力发电系统,由位于下风向的风向标发出的信号,根据风速仪、风向标等传感器数据,进行主动对风控制,包括制动、对风、开闸并确定起动,达到同步转速一段时间后,进行并网操作,开始发电。
低速风力机在美洲及欧洲尚有部分存在。
其风轮有1224片,几乎覆盖了整个水平轴风力机旋转平面,风轮后面有保持迎风位置作用的尾翼,多叶片低速风力机如图所示。
这种风力机的最大直径约为58m,美国曾制造过直径达15m的低速风车。
此类风力机适用于低风速地区,当风速为23ms时可以转动,启动力矩相对较高。
多叶片低速风力机,水平轴风力机的技术指标参数主要有:
风轮直径:
通常风力机的功率越大,直径越大;叶片数目:
高速发电用风力机为24片,低速风力机大于4片;叶片材料:
现代通常采用高强度低密度的复合材料;风能利用系数:
一般为0.150.5之间;启动风速:
一般为35ms;停机风速:
通常为1535ms;输出功率:
现代风力机一般为几百千瓦几兆瓦;发电机:
分为直流发电机和交流发电机;另外还有塔架高度等等。
二、垂直轴风力机凡风轮转轴与地面呈垂直状态的风力机叫垂直轴风力机。
这类风力机的形式较多,如S型、H型、型等。
虽然目前垂直轴风力机尚未大量商品化,但是它有许多特点,如不需大型塔架、发电机可安装在地面上、维修方便及叶片制造简便等,研究日趋增多,各种形式不断出现。
各种形式的垂直轴风力机如图所示。
垂直轴风力机,1、型风力机这是1925年法国人达里厄发明的,所以又叫达里厄型风力机。
这种风力机的风轮一般由24片跳绳曲线型叶片组成,是对称翼型,只承受纯张力,不承受离心力载荷。
它不受风向影响,所以不要调向对风机构,但启动、刹车和调速较困难。
2、S型风力机这是1924年芬兰人萨沃纽斯发明的一种垂直轴风力机。
它是阻力型风轮,启动扭矩大,工作可靠,制造容易,甚至可用废旧油桶对开制成。
为了获得较大的功率,还可以将几个S轮上下重迭装在一起。
中国曾制造4层S轮风力机,并用于航标灯作电源,效果较好。
3、H型直叶片风力机从工作原理上说它与S型风力机相同,也是达里厄型的一种。
由于型风轮叶片的两端速度很低,产生的升力较小,实际起作用叶片长度只占其总长的35左右。
而直叶片则能充分发挥全叶片的作用,且叶片的制造也比较容易。
中国在直叶片风轮的基础上又加装了副叶片,而且副叶片可以转动,起着导向和增加启动扭矩的作用。
日本已将直叶片风轮发展为多层风轮,目的为增大发电的功率直叶片风轮也可用在风力提水机上,实际此种风轮可以制成发电、提水两用机。
型风力机,S型及直叶片型风力机,风力发电现状与展望一、风力发电发展简史风力发电是在大量利用风力提水的基础上发展起来的,它首先起源于丹麦。
早在1890年,丹麦政府就制定了一项风力发电计划,经过18年的努力,首批72台单机功率525kW的风力发电机组问世。
至1918年,又经过10年的改进,才发展到120台风力发电机组。
但时至今日,丹麦已成为世界上生产风力发电设备的大国。
20世纪70年代世界连续出现石油危机,随之而来的环境问题迫使人们考虑可再生能源利用问题。
风电是近期内最具开发利用前景的可再生能源,也将是21世纪中发展最快的一种可再生能源。
风能利用中的问题一、风力机的选址无论是哪一种用途的风力机,选择设置地点都是十分重要的。
在平坦地形上设置风力机时应考虑的条件是:
1、离开设置地点1km的方圆内,无较高的障碍物。
2、如有较高的障碍物(如小山坡)时,风力机的高度应比障碍物高2倍以上。
在山丘的山脊或山顶设置风力机时,山脊不但可以作为巨大的塔架,而且风经过山脊时还会加速。
因此山顶和山脊的肩部(即两端部)是安装风力机的好场所。
二、风力机对环境的影响1、风力机的噪声风力机产生的噪声包括机械噪声和气动噪声,分析表明风轮直径小于20m的风机,机械噪声是主要的。
当风轮直径更大时,气动噪声就成为主要的噪声。
噪声会对风力机设置处的居民产生一定的影响,特别是对人口稠密地区(如荷兰),噪声问题更加突出,因此应采取各种技术措施来减少风力机的噪声。
2、对鸟类的伤害风力机的运行常常会对鸟类造成伤害,如鸟被叶片击落。
大型风力场也影响附近鸟类的繁殖和栖息。
虽然许多研究表明上述影响不大,但对一些特殊地区,例如鸟类大规模迁徙的路线上,应充分考虑对鸟类的影响,在选址上予以避开。
3、对景观的影响风力机或因其庞大,或因其数量多(大型风力电场风力机可多达数百台),势必对视觉景观产生影响,对人口稠密和风景秀丽区域更是如此。
对这一问题,处理得好,会产生正面影响,使风力机变为一个景观;而处理不好,则会产生严重的负面效应。
因此在风景区和文化古迹区,安装风力机尤应慎重。
4、对通信的干扰风力机运行会对电磁波产生反射、散射和衍射,从而对无线通信产生某种干扰。
在建设大型风力场时应考虑这一因素。
风机和风场,
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