风能开发利用

风能开发利用环境与能源工程学院孙晗内容技术、制度与世界风能的发展风力发电原理和技术中国风力发电发展技术、制度与世界风能发展1.1人类开发利用风能的历史风帆助航、风力发电、风车提水我国利用风能的历史3000年前的商代：开始出现帆船唐代：“乘风破浪会有时，直挂云帆济沧海”明代：郑和下西洋明代后：宋应星《天工开物》有：“扬郡以风帆数扇，俟风转车，风息则止”方以智著的《物理小识》有：“用风帆六幅，车水灌田，淮阳海皆为之”中国沿海沿江地区的风帆船和用风力提水灌溉或制盐的做法，一直延续到20世纪50年代欧洲利用风能的历史12世纪风车从中东传入欧洲。16世纪，荷兰人利用风车排水、与海争地，在低洼的海滩上建国立业。在蒸汽机出现之前，风力机械是动力机械的一大支柱，但因竞争不过蒸汽机、内燃机等而被淘汰。19世纪丹麦人首先研制了风力发电机。1891年，丹麦建成世界第一座风力发电站。20世纪70年代后，风力发电蓬勃发展。21世纪中叶，风能成为世界能源供应的支柱之一。1.2开发利用风能的动因经济驱动力环境驱动力社会驱动力技术驱动力经济驱动力经济最优化例：在内蒙古农牧区小型离网风力发电：2元/kW.h电网延伸：8元/kW.h利用汽油/柴油发电机供电：6元/kW.h化石能源枯竭与供应安全石油资源在四五十年后面临枯竭风能是新能源中最具工业开发潜力的可再生能源促进能源产业升级风力发电技术属新兴技术，风电产业属朝阳产业。风电技术研发示范进入市场国民经济的新增长点环境驱动力CO2排放、全球气候变暖、1997年《京都议定书》烟尘、SO2、NOx、CO等社会驱动力风能份额增加时，会创造很多直接和间接的就业机会。生产装机设备维护在一些国家，风能的利用成为热点问题，得到公众的支持。技术驱动力空气动力学理论不断发展新型高强度、轻质材料的出现计算机模拟、设计技术的广泛应用自控技术的提高机械、电气、电子元件制造技术的成熟风电技术向大功率、高效率、高可靠性和高度自动化方向发展1.3世界风能开发现状与展望050010001500200025003000350040004500198319891995199820011983-2003年世界风电发展情况累计装机/万千瓦0510152025303540198319891995199820011983-2003年世界风电发展情况平均年增长率0100200300400500600700800900198319891995199820011983-2003年世界风电发展情况风电电量/亿度00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5198319891995199820011983-2003年世界风电发展情况风电占总电量的比例/%0246810121416198319891995199820011983-2003年世界风电发展情况成本/（美分/度）2003年世界累计风电装机最多的10个国家050100150200250300德国西班牙美国丹麦印度荷兰意大利日本英国中国2003年当年风电装机（万千瓦）2003年世界累计风电装机最多的10个国家02004006008001000120014001600德国西班牙美国丹麦印度荷兰意大利日本英国中国2003年累计风电装机（万千瓦）2003年世界累计风电装机最多的10个国家0510152025303540德国西班牙美国丹麦印度荷兰意大利日本英国中国风电所占比例/%2005-2020年世界风电需求的预测02468101214200520072010201220152020风电占世界电力的比例/%1.4世界鼓励风能开发利用的政策措施研发鼓励政策投资鼓励政策生产鼓励政策消费鼓励政策1.5中国风能发展需要制度创新中国风力资源丰富，但风电发展落后原因：缺乏透明、完整、可持续、有效力的风能政策和法律制度国家发改委制定的《可再生能源中长期发展规划》指出：到2020年中国风电装机容量将达到2000万瓦，要实现这一目标需要制度创新风力发电原理和技术风与风能的形成风能的基本特征风力发电原理风力发电机安装场址的选择风力发电系统的种类风力技术的发展趋势2.1风与风能的形成成因：太阳的辐射造成地球表面受热不均，引起大气层中压力分布不均，空气沿水平方向运动，形成风。高低纬度的温度差异地球自转引起的地转偏向力海洋、地形的影响空气流动动能可再生能源2.2风能的基本特征风能资源用风速、风级、风能密度等指标衡量。2.2.1风速定义：单位时间内空气在水平方向所移动的距离。可用风速仪测量，单位为m/s.有效风速：3-20m/s2.2.2风级风级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风力的强度等级来估计风力的大小。风级的表现风级名称相应风速(m/s)表现0无风0-0.2零级无风炊烟上1软风0.3-1.5一级软风烟稍斜2轻风1.6-3.5二级轻风树叶响3微风3.4-5.4三级微风树枝晃4和风5.5-7.9四级和风灰尘起5清劲风8-10.7五级清风水起波6强风10.8-13.8六级强风大树摇7疾风13.9-17.1七级疾风步难行8大风17.2-20.7八级大风树枝折9烈风20.8-24.4九级烈风烟囱毁10狂风24.5-28.4十级狂风树枝拔11暴风28.5-32.6十一级暴风陆罕见12飓风32.6十二级飓风浪滔天2.2.3风能密度通过截面积的风所含的能量，常以W/m2表示。风能密度与空气密度有直接关系一般，海边地势地，气压高，空气密度大，风能密度就高。高山气压低，空气稀薄，风能密度就小些。如果高山风速大、气温低仍有相当大的风能潜力。2.2.4风能的计算风能密度的计算公式：风能ω=0.5ρν3A风能密度W=（ρ∑Niνi3）/（2N）式中W——平均风能密度，W/m2νi——等级风速，m/sNi——等级风速νi出现的次数N——各等级风速出现的总次数ρ——空气密度，kg/m3全国风能储量估算指离地10m高度层上的风能资源量在地图上画10W/m2,25W/m2,50W/m2,100W/m2,200W/m2的风能密度等值线，根据风能密度和面积估算风能资源储量中国陆地上10m高度层上可开发的风能储量为2.52亿千瓦2.3风力发电的原理风力发电机的组成风轮（空气的动能风轮旋转的机械能）空气动力学的升力、阻力发电机（包括传动装置）调向器（尾翼）塔架限速安全机构储能装置2.4风力发电机安装场址的选择1.风能资源丰富我国安装风力发电机的资源条件：某地域的年有效风速时数在2000-4000h、年6-20m/s风速时数在500-1500h。2.具有较稳定的盛行风量3.湍流小4.自然灾害小2.5风力发电系统的种类并网的风电系统涡轮风机产生电力进入交流变频系统转换为交流电网频率的交流电进入电网由于风电的输出功率不稳定风电场装机容量占所接入电网的比例不宜超5%-10%，且电网需配备一定的备用负荷独立的风电系统向用电负荷供电风力发电逆变器直流电蓄电池混合型风电系统风力发电+柴油机发电风力+（水电解制氢+氢能发电）2.7风电技术的发展趋势单机容量增大风电机桨叶的变化桨叶长度增长，最长的叶片达50m桨叶叶形的优化设计桨叶的材料由玻璃纤维增强树脂强度高质量轻的碳纤维向柔性发展塔架高度上升控制技术的发展海上风力发电我国风力发电的发展3.1中国的风能资源•大气环流的影响•海陆和水体的影响•地形对风能分布的影响•山脉•海拔•中小地形我国风能资源区划风能丰富区东南沿海、山东半岛、辽东半岛三北地区松花江下游区风能较丰富区东南沿海内陆和渤海沿海区三北的南部区青藏高原风能可利用区两广沿海区大小兴安岭地区中部地区风能贫乏区川云贵和南岭山地区雅鲁藏布江和昌都区塔里木盆地西部区3.2离网户用小型风力发电行业发展历程老式风车应用阶段（1949-1959）：提取海水制盐和农田灌溉现代风力机械起步阶段（1960-1977）：八机部研制小型风力发电机组和风力提水机组，受到牧民欢迎科研攻关和示范应用阶段（1978-1983）：国防科工委、航空部602所、中国农机院等投入大笔资金研制风力发电机组和风力提水机组。开始批量生产和推广应用技术成熟和使用推广阶段（1984-1990）调整、巩固阶段（1990-1997）稳定发展阶段（1998以后）我国小型风力发电机组历年产量汇总表050001000015000200002500030000350001983年前198919952001生产量/台潜在市场及发展趋势西部大开发、提高边远地区农牧民生活水平，需要小风电1985年前生产的小型风力发电机组需要更新换代边远地区、海岛的部队驻军、边防哨所、微波站、气象台站、沿海和内陆湖泊养殖业没有常规电源的地方中国出口小型风电机的数量在逐年增加国家“光明工程”、“全球环境基金／ＧＥＦ世界银行中国可再生能源商业化促进项目”农业部、财政部设立的“农村小型公益设施建设补助资金农村能源项目”3.3并网风力发电行业发展历程第一阶段：1986-1990探索和示范阶段。项目规模小、单机容量小。共建了4个风电厂，最大单机容量200kw.第二阶段：1991-1995示范项目取得成效并逐步推广。共建了5个风电厂，最大单机容量500kw.第三阶段：1996后，扩大建设规模阶段。最大单机容量1300kw.到2002年底，全国共有32个风电场。序号风电场名称总容量/kw1新疆达坂城风电二场750002新疆达坂城风电一场121003新疆布尔津风电场10504内蒙古商都风电场38755内蒙古朱日和风电场75006内蒙古锡林浩特风电场29807内蒙古辉腾锡勒风电场361008内蒙古克什克腾风电场201609广东南澳风电场5688010广东惠来风电场1320011广东汕尾风电场990012辽宁东岗风电场2250513辽宁横山风电场740014辽宁营口风电场2146015辽宁锦州风电场375016辽宁丹东风电场21000序号风电场名称总容量/kw17辽宁小长山风电场360018辽宁獐子山风电场300019辽宁法库风电场960020吉林通榆风电场3006021福建平潭风电场700022福建东山风电场600023浙江括苍山风电场1980024浙江鹤顶山风电场1390525浙江泗礁风电场30026海南东方风电场875527山东荣成风电场16528山东长岛风电场551029河北省张北风电场985030河北省承德风电场360031甘肃玉门风电场8400合计444405