农村能源工程4

第二章风能第一节风能基本知识一、风的形成风是人类最常见的自然现象之一。它是由太阳的热辐射在地球上引起的“空气流动”。到达地球的太阳能约有2％转变成为风。当地面受到太阳照射，温度升高，气压发生变化，高压冷空气流向低压区，相对于地球表面的空气流动形成了风。气压差值越大，风也就越大。赤道附近接收的太阳能较多，而南、北极接收的太阳能较少，如果地球表面情况是一样的，而且忽赂地球转动的作用，则赤道附近空气受热膨胀向上，流向两极；而两极附近的冷空气，沿地表流向赤道。地球不停地转动也产生影响，在同样日照情况下，海面上升温慢，陆地上升温快；山谷升温馒，山脊升温快，等等这些复杂因素造成了地球上不同地区、不同季节里，空气的流动是变化多样的，因而风向、风速也是变化无常的二、风向与风速风是一种矢量，它通常用风向与风速这两个要素来表示。1．风向风向是指风吹来的方向，如果风是从西面吹来，则称为西风。观测陆地上的风向，一般采用16个方位(海上的风向通常采用32个方位)，即以正北为零，顺时针每转过22．5o为一个方位，如图2—l所示。在一定的时间范围内，某风向出现的次数占各风向出现的总次数的百分比，称作风向频率，即:2．风速风在单位时间内所流过的距离称为风速V，单位是m/s。(1)瞬时风速与平均风速风速是很不稳定的，即使在很短的时间内，它的变化也很大。在某一瞬间(在几秒内)所测得的风速，叫瞬时风速；在某一段时间内，瞬时风速的算术平均值，称为平均风速。假如把一昼夜中每小时所测得的风速相加，再除以24，就得到了一天的平均风速。同理，可求得月平均风速和年平均风速。(2)风速频率与变幅在一定时问内，相同风速出现的时数占测量总时数的百分比称作风速频率，即:风速频率=相同风速出现的时数/测量总时数×100%最大风速与最小风速之差，称为风速变幅。对风能利用来说，既希望平均风速较高，又希望风速变幅小，以保证风力机平稳运行，便于控制。(3)起动风速、切除风速、有效风速可使风力机起动运行的风速，称为起动风速；限制风力机超速运行的上限风速为切除风速。大于这个风速时，风力机必须停转，国内多数风力机常取3m／s为起动风速，20m／s为切除风速，起动风速与切除风速之间的风速称为有效风速故把3—20m／s的风速称为有效风速。据此计算出来的风速频率和风能，分别称为有效风频和有效风能。(4)风速级别表2一l列出了最新修订的国际通用风速级别。表中的最后一列给出了在不同风速下，风垂直于平板时，平板上的平均压强，单位是10N／m2(Ps)。此压强值可用下式进行估算：三、风的能量1．风能风能就是空气流动的动能。风和其它运动的物体一样，它所具有的动能用下式计算：W=1/2mv22．有效风能计算某地一年内风能的大小，不能简单地用年平均风速，还要考虑风速的分布情况。年相应风向平均风速立方数的乘积。根据风能玫瑰图即可看出哪个方向的风具有能量的优势。四、阻力与升力1．流体流经物体的情形固2—5所示为空气流过三种不同形状物体的情形。(a)是个圆形板；(b)是个流线型物体，此二物体垂直于气流方向的横截面面积相等为Ao。(c)为某风力机叶片的核截面(称为冀型)。当风吹向圆形板时，在圆形板前压力增大，而圆形板后的压力减少，这个压力差构成了气流对圆形板的作用力F。在同样条件下，气流对流线型物体的作用力要比前者小得多，流线型物体所受的作用力主要来自气流与它的摩擦。当气流流经叶片截面时，其流线分布如图2—5(c)所示，叶片上面气流速度增高，压力降低；叶片下面几乎保持原来的气流压力，于是叶片受到了向上的作用力F，此力可分解成与气流方向平行的力Fd，称为阻力；和与气流方向垂直的力F’，称为升力。图中的(a)和(b)，物体的形状相对于气流的方向是对称的，只有阻力，没有升力。3．升力系数与阻力系数的变化气流方向与叶片横截面的弦的夹角。(图2—6)为攻角，其值为正和负如图中所示。Ce与Cd随a的变化情况如图2—7所示。对于同一翼型，其升力系数与阻力系数的比值，称为它的升阻比，即Ce／Cd值：第二风能资源与风能利用概况一、我国风能资源风能资源的主要参数是当地的年平均风速和年平均风能密度，当然，有效风能小时数也很重要。根据气象部门的资料，我国风能总量理论数为16×108kw，可开发量为发量为2．25亿kW，仅次于美国和前苏联，居世界第三位。我国东南沿海及一些岛屿的风能资源较好s内陆沿东北、内蒙古、甘肃至新疆一带，风能资源也比较丰富，年平均风能密度在100—200w／m2，全年有效风速累计小时达3000—6000h.近年来，国家气象科学院按各地风能特征编制了全国风能区划为：1．风能丰富区——东南沿海、台湾、海南岛西部及南海群岛，内蒙古北部西端和阴山以东，松花江下游地区。Ⅱ．风能较丰富区——东南沿海离岸20—50km的地带，海南岛东部，渤海沿岸，东北平原，内蒙古南部，河西走廊，青藏高原。Ⅲ．风能可利用区——闽、粤两岸50一100km地带，大小兴安蛤，长江及黄河下游，两湖沿岸等地区。IV．风能欠缺区——四川、甘南、陕西、贵州、湘西、岭南等地。辽河流域，苏北.图2—8和固2—9描述了我国风能资源分布情况。表2—8指明了我国风能资源较大二、风能资源的特点1．风能资源的优点(1)风能是可再生能源，取之不尽，用之不竭。(2)一般说来，在偏远山区、海滨、居民分散的无电或少电地区，风能资源比较丰值得开发利用。(3)开发利用风能，不污染环境，不影响生态平衡。(4)把风能转换成机械能，办法比较简单，容易实现。2．风能资源的缺点(1)风能常随季节、昼夜变化，当小风或无风时还想利用它则涉及到能量储存问题，就需要储能设备。(2)风能的密度比较低，空气比水轻800倍，因此，要获得较大的功率，势必得把风力机的风轮作得很大。(3)风能受地形地物的影响较大，即使在同一个区域，有利地形处的风力往往是不利地形处的几倍乃至更多。基于我国小型风力机已商品化，现正转向中、大型风力机的研制，并且在多点试办风力田。同时，也开展了风能利用新技术、新领域的研究，如风能——太阳能互补发电，用风能谈化海水，用风力机向养鱼池增氧，大型风帆助航，旋风式风力提水机，风能致热等。综上所述，无论是国外还是国内，鉴于石油、煤炭燃料日趋减少，风能作为无污染的可再生能源，其发展的前景是非常可观的。全球风能总量估计有1.3×10l4W，如能有1％被利用，即可满足人类对能量的全部需要。二、风力机的组成及各部件的功用现以水平轴风力机为例，介绍常见风力机的基本组成和各部件的功用。风力机一般由风轮、传动装置、作功装置、蓄能装置、控制系统、塔架、附属部件等组成(见图2—24、2—25)。1．风轮风轮是风力机最重要的部件，它是风力机区别于其它动力机的主要标志。其作用是捕捉和吸收风能，并将风能转变为机械能，由风轮轴将能量送至传动装置。2．控制系统(1)调速(限速)机构风轮的转速随风速的增大而变快，而转速超过设计允许值后，将导致机组的毁坏或寿命的降低，有了调速(限速)机构，即使风速很大，风轮的转速仍能维持在一个较稳定的范围之内，防止超速乃至飞车的发生。(2)调向机构垂直轴风力机可接受任何方向吹来的风，因此不需要调向机构。而水平轴风力机，为了获得较高的效率，应使它的风轮经常对准风向，大多数水平轴风力机都有调向机构、图2—24和2—25中的尾舵便是调向机构常见的一种。3．传动装置将风轮轴的机械能送至作功装置的机构，称为传动装置。对于风力发电机，其传动装置为增速机构。风力机的传动装置与一般机器所采用的传动装置没有什么区别，多为齿轮、皮带、曲柄连杆等机械传动：4，作功装置由传动装置送来的机械能，供给工作机械按既定意图作功5．储能装置可以把有风或大风时获得的能量，分储存起来，供无风和小风时使用。风力发电机的蓄电池和风力提水机的蓄水罐。6．塔架风轮、控制系统和机舱(内有传动机构)等组成了风力机的机头，将其支撑到设计的高空。7．附属装置风力机还有一些附属装置，如机舱、机座、回转体、停车机构等，它们配合主要部件工作，以保证风力机的正常运行。三、风轮风轮一般由叶片、叶柄、轮毅及风轮袖等组成(图2—26)。叶片的基本类型有3种，即平板型、弧板型和流线型(图2—27)。在相同条件下，产生的升力值：流线型＞弧板型＞平板型；而阻力值：平板型＞弧板型＞流线型。风力发电机的叶片横截面的形状，接近于流线型；而风力提水机的叶片多采用弧板型，也有采用平板型的。横截面近似于流线型叶片所用的材料，如图2—28所示。而弧板型和平板型叶片所用的材料多为镀锌钢板，也有试用玻璃钢制作叶片的。风力提水机的风轮与风力发电机的风轮相比较，突出的异点在于前者叶片数日多，风轮转速低，产生的扭力矩大。由于风力提水机的风轮叶片数目为了保持它在风轮中的几何位置和设计的形状，常用钢困和辐条固定(见图2—12中的和e，图中未绘出稻条)。四、调向机构自然界的风，速度和方向经常变化，为了使风力机能有效地捕捉风能，就应设置对风装置以跟踪风向的变化，保证风轮基本上始终处于迎风状态。风力机的调向机构常见的有：尾舵、舵轮、电动(或液动)和下风向自由对风四种。1．尾舵尾舵是最常见的一种调向装置，它广泛用于小、微型风力机上。尾舵由尾杆和尾翼组成(图2—29)。尾翼一般都处在风轮的尾流区里．为了避开尾流的影响，有的风力机把尾冀翘起安装，高出风轮。2．舵轮调向机构在风轮后面装有两个平行的多叶式小风轮(图2—31)，其旋转面与风轮扫掠面相垂直。舵轮的轴带动由圆锥齿轮和圆柱齿轮组成的传动系统，图中的中间一对齿轮与装在塔架上方的回转体上的从动大圆柱齿轮啮合。正常工作时，风力机的风轮对准风向，舵轮旋转面与风向平行，它不转动。当风向变化时，舵轮与风向成某一角度，在风力作用下舵轮开始旋转，通过传动系统，使风力机的风轮重新对准风向，舵轮旋转面又恢复到与风向平行的位置，便停止转动。舵轮调向装置比尾舵工作得平稳，多用于小型和中型风力机上。3．电动对风装置电动对风装置广泛用于中型和大型风力机上。图2—32是国产FDl6．2—55型风力发电机组对风装置示意图。该装置的风向感受信号来自于装在机舱上面的风向标。在风向标的垂直抽上有一个凸轮，下面还有浸没在油缸中的阻尼板(板上钻有很多小孔)，用以吸收风向的脉动。当风向偏离风轮轴线±150时，风向标带动其垂直轴上的凸轮，使左例或右侧的限位开关接通，经过30秒延时(可任意调整)后，交流接触器闭合，p从而起动对风伺服电动机左转或右转，并接通相应的指示灯。伺服电动机经过减速带动回转体上的转盘，使风轮重新迎风后，限位开关断开，电动机停转，指示灯熄灭。4．自动调向风轮风轮安装在塔架的下风位置(即后置式布置)，利用作用在风轮亡的阻力的方法，使风轮自动对难风向(团2—33)。五、调速(限速)机构国内外的风力机调速(限速)机构有很多类型，概括起来，大体上可分为两大类：定桨距调速和变桨距调速。所谓“桨距”是指叶片的偏角。叶片的偏角，对水平轴风力机，是指叶片横截面的弦线与风轮旋转平面的夹角；对垂直抽风力机，是指弦线与叶片扫掠弧线的切线的夹角。下面列举一些调速(限速)机构。1．定桨距调速(限速)机构定桨距调速(限速)方法有两种，一种是使风轮偏侧一定角度，以减少风轮的迎风面积，风轮就基本不转了。另一种方法是用空气制动装置来限制风轮的转速，当风速增大时，装在风轮上的空气制动装置阻力增加，限制风轮转速的提高。(1)侧翼式侧翼式调速(限速)机构是在风轮后面向一例伸出一支侧翼(2-34）(2)偏心式偏心式调速(限速)机构是指风轮轴线与机头座回转体轴线并不相交(图2—35)，(3)风轮绕水平轴偏风装置此装置如图2—36所示，其原理与上述偏心式的基本相同，只是在调速时风轮不是向侧转，而是绕水平的偏转轴向上翻，减少了风轮的迎风面积，整个机头平衡在空气动力、弹簧张力以及机头重量对水平轴的力矩之和为零时的位置。为避免振动，应设减震器。(4)空气动力调速(限速)装置图2—37所示为在风轮轮毅上焊有两个文臂，两片弧板分别铰接在支臂上，与弹簧构成了一个风载系统。当风轮转速超过额定值时，弧板的离心力超过了弹簧的拉力，甩出向外，