(6)第三章-3.1风能基础-新能源

1新能源利用技术王一平教授天津大学化工学院2013.5.13第三章风能§3.1风能基础§3.2风力发电§3.3风力机的特性§3.1风能基础风的概述风能风能利用方式4一、风的概述太阳照射导致大气温差，形成压差，最终导致大气流动—风流动的动能来自于密度不同或气压差异根本原因是太阳辐射日照强度日照时间1、风的形成5辐射越强，气温越高；辐射越弱，气温越低。纬度越低，气温越高；纬度越高，气温越低。气温越低，气压越高；气温越高，气压越低。大气总是由气压高的地方，吹向气压低的地方，从而形成了风。因此,风的形成是空气流动的结果。62、地球的气压带和风带根据气压大小及其形成的风，地球上形成了不同的气压带和风带。分布着七个气压带和六个风带。7赤道低气压带副热带高气压带（2个）副极地低气压带（2个）极低高气压带（2个）（1）气压带8（2）风带东北信风带东南信风带西风带（2个）极地东风带（2个）9（3）大气环流示意北纬30度至60度之间的大气环流系统赤道与南北纬30度之间的大气环流系统北纬60度至北极之间的大气环流系统10在一个大范围地区内，它的盛行风向或气压系统明显受季节变化，这种在一年内随着季节不同有规律转变风向的风，称为季风。季风盛行地区的气候，成为季风气候。沙尘暴的发生3、季风11气压地转偏向力季节海陆差异——海陆风地形差异——山谷风风随高度变化的规律风随时间的变化4、影响风的因素12（1）海陆风•有海陆差异的地区，白昼（夏季）时，大陆上的气流受热膨胀上升至高空流向海洋，到海洋上空冷却下降，近海面上的空气吹向大陆，补偿大陆的上升气流，称为海风。•夜间（冬季）时，情况相反，低层空气从大陆吹向海洋，成为陆风。13白昼海陆风夜间陆海风15•在山区，由于白天山坡受热快，温度高于山谷同高度的空气温度，山坡上的暖空气从坡地流向谷地上方，谷地的空气则沿着山坡向上弥补流失的空气，从而形成由山谷吹向山坡的风，称为谷风。•夜间，山坡因辐射冷却，降温快，冷空气沿坡地流下山谷，称为山风。（2）山谷风16增温快（热源）增温快（热源）增温慢（冷源）谷风的形成降温快（冷源）降温快（冷源）降温慢（热源）山风的形成18()niihUhUh高度对风速的影响，其经验公式很多，通常采用指数公式：（3）风随高度变化的规律n：经验指数，取决于大气稳定度和地面粗糙度，大小约为1/2-1/819（4）风随时间的变化一天中的变化：白天：地面空气温度升高，上下空气热交换，地面形成风。夜间：地面附近空气很快冷却，对流停止，风微弱。但高空空气温度较高，形成对流。测风塔21(1)风向(2)风速5、描述风的参数风是矢量（Vector），既有大小，又有方向。22（1）风向的测量与表示方法风向标风玫瑰图风玫瑰图一个给定地点指定时间段内风向分布图。可以了解到：主导风向和大小。16个方向长度与风的频度成正比指示风速范围静风放在中间24（2）风速的测量与表示方法风速计风速和风级与风速相对应的气象用语是风级风级与风速的大小关系25风级风速（m/s）形容00-0.2树叶不动,无风10.3-1.5树叶略动,软风21.6-3.3树叶动有微响,软风33.4-5.4细小的树枝连也摇动不息,微风45.5-7.9小树枝摇动,和风58.0-10.7大树枝摇动,清劲风610.8-13.8整棵树摇动,强风713.9-17.1小树枝折断,疾风817.2-20.7大树枝折断,大风920.8-24.4小树被吹倒,烈风1024.5-28.4碗口粗的树木被吹倒,狂风11-12大于28.4大树被吹倒或连根拔起,暴风飓风26公式描述：21.5050.10.824UN27二、风能（WindEnergy）运动的空气所具有的动能。1、风能281、风所具有的能量21'2EmU2、风能密度2、风能的表示方法312EU单位时间垂直流过单位面积的风能，又称为风功率密度。4、有效风能密度在一定风速范围内的风能密度。dtUTET302113、平均风能密度由于风速是一个随机性很大的量，必须通过一定时间的观测来了解它的平均状况。303、风能的特点无污染可再生储量巨大分布广泛不稳定密度低地区差异大优点:缺点:314、地球上的风能资源据估计，地球上风能约为2.74*109MW，可以利用的风能为2*107MW，是地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。中国风能资源居世界之首，中国陆地10M高度层的风能总储量为3.226*106MW，这个储量称作“理论可开发总量”，实际可开发的风能资源储量为2.53*105MW。我国风能北方强而南方弱，沿海强而内陆弱，平原强而山区弱，冬春强而夏秋弱。5、我国风能资源33年有效风能密度大小风速=3m/s的年累积小时数（1）区划指标反映风能资源多富的指标指标丰富区较丰富区可利用区贫乏区年有效风能密度（W/m2）200200-150150-5050年?3m/s累计小时数（h）50005000-40004000-20002000年6m/s累计小时数（h）22002200-15001500-350350占全国面积的百分比（％）818502434（a）风能丰富区（Ⅰ）东南沿海、山东半岛和辽东半岛沿海区（ⅠA）三北地区（ⅠB）松花江下游区（ⅠC）（b）风能较丰富区（Ⅱ）东南沿海内陆和渤海沿海区（ⅡD）三北南部区（ⅡE）青藏高原区（ⅡF）（2）区域分布35（c）风能可利用区（Ⅲ）两广沿海区（ⅢG）大小兴安岭区（ⅢH）中部地区（ⅢI）（d）风能欠缺区（Ⅳ）川云贵和南岭山地区（ⅣJ）雅鲁藏布江和江都区（ⅣK）塔里木盆地西部区（ⅣL）36–3000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；–20世纪70年代，先后试制了1、2、10、12、18、20KW样机，其中18KW机组于1972年7月安装在浙江省绍兴县雄鹅峰上，1976年11月迁装到嵊泗县菜园镇运转发电，一直运行到1986年8月。6、中国利用风能历史38中国古代风车郑和下西洋（风帆推动船舶前进）7、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，单机容量９KW；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。5000年前的埃及壁画公元前600年风车4218世纪的荷兰风车美国的风车抽水第一台风力发电机20世纪80年代美国California的风电场三、风能利用方式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。主要利用方式：风力发电风力泵水风帆助航风力致热1、风力发电风力发电通常有三种运行方式。–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；–风力发电与其它发电方式（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；–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。风力发电海上风力发电2、风力泵水采用风轮，传动装置将风能转化为机械能，将水由深井中的水压管中抽出。风力提水机3吨/小时-15吨/小时风力提水机15吨/小时-50吨/小时现代风力泵水机根据用途可以分为两类：一类是高扬程小流量的风力泵水机，它与活塞泵相配提取深井地下水，主要由于草原、牧区，为人畜提供饮水；另一类是低扬程大流量的风力泵水机，它与螺旋泵相配，提取河水、湖水或海水，主要由于农田灌溉、水产养殖或制盐。3、风力助航为节约燃油和提高航速，风帆助航也得到了发展。航运大国日本已经在万吨级货船上采用电脑控制的风帆助航，节油率达15%。4、风力致热“风力致热”是将风能转换成热能。三种转换方法。–一是风力机发电，再将电能通过电阻丝发热，变成热能，由于风能转换成电能的效率较低，因此从能量利用的角度来看，该方法不可取。–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再而放出热能。–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。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。太阳能利用有哪些基本方法？简述其工作原理。班级，姓名，学号！谢谢大家！