第四章-风能

新能源概论第四章风能新能源概论第四章风能第一节概述第二节风能利用原理第三节风力发电技术第四节风能存储技术第五节风能利用现状和发展趋势新能源概论第一节概述第一节概述风:相对于地表面的空气运动，风通常指它的水平分量。风能:空气相对于地面做水平运动时所产生的动能，本质上也是太阳能的一种转化形式。新能源概论第一节概述新能源概论4.1.1风能的特点一、风能优点蕴藏量大、清洁能源、分布广泛、可再生能源二、风能局限性能量密度低、不稳定性、地区差异大新能源概论4.1.1风能的特点能源类别风能（3m/s）水能(流速3m/s)波浪能(波高2m)潮汐能(潮差10m)太阳能能量密度（kw/m2）0.022030100晴天平均昼夜平均1.00.16不同能源的能量密度表新能源概论4.1.2风能的基本特征风速：风的大小常用风的速度来衡量，风速是指单位时间内空气在水平方向上所移动的距离。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，按照风力的强度等级来估计风力的大小。风能密度：风能密度是指单位时间内通过单位横截面积的风所含的能量，常以W/m2来表示。新能源概论4.1.2风能的基本特征风级歌地面无风烟直上；一级轻烟随风偏；二级清风叶正响；三级枝摇红旗扬；四级灰尘地上舞；五级水面起波浪；六级强风举伞难；七级树摇步行艰；八级风吹树枝断；九级屋顶飞瓦片；十级狂风能拔树；十一十二陆上稀。新能源概论4.1.2风能的基本特征平均风能密度：式中:W-平均风能密度，W/m2；Vi-各等级风速，m/s；Ni-各等级风速Vi出现的次数；N-各等级风速出现的总次数；P-空气密度，kg/m3。新能源概论4.1.3风能资源概况全球风能资源：a.资源丰富b.分布广泛新能源概论我国风能资源概况我国风能资源非常丰富，仅次于俄罗斯和美国，居世界第三位。根据国家气象局气象研究所估算，从理论上讲，我国地面风能可开发总量达32.26亿千瓦，高度10米内实际可开发量为2.53亿千瓦。4.1.3风能资源概况新能源概论4.1.3风能资源概况中国全年3-20m/s风速小时数分布图我国风能资源丰富的地区主要集中在北部、西北、东北草原和戈壁滩，以及东南沿海地区和一些岛屿上四川盆地地区分布极少新能源概论新能源概论第二节风能利用原理新能源概论4.2.1风力机简介风力发电机机：将风能转化为机械能进而转化为电能的机械装置。包括水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。工作原理：风轮在风力作用下旋转，将风的动能转化为机械能，发电机在风轮轴的带动下旋转发电。新能源概论风力发电机构成：一般由风轮、传动装置、塔架、调向器(尾翼)、限速调速装置、发电机和储能装置等构件组，大中型风力发电系统还有自控系统。4.2.1风力机简介新能源概论4.2.1风力机简介风轮:集风装置，将流动空气具有的动能转变为风轮旋转机械能。发电机:目前风能利用中有三种风力发电机，即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。塔架:风力机的塔架是风力发电系统重要的基础平台。新能源概论调向器:调向器的作用是尽量使风力发电机的风轮随时都迎着风向，最大限度地获得风能，一般采用尾翼控制风轮的迎风朝向。包括尾舵、侧风轮、风向跟中系统三种。限速安全装置:限速安全装置能保证风轮的转速在一定的风速范围内运行。使风轮偏离主风向、利用气动阻力和改变叶片的桨距角。4.2.1风力机简介新能源概论4.2.2风力机工作原理翼型绕流的力学分析叶片受到的气流作用力F可分解为与气流方向平行的力Fx和与气流方向垂直的力Fy，分别称为阻力和升力。新能源概论4.2.2风力机工作原理式中：Cr为叶片总的空气动力系数；Ｖ为吹向物体的风速；ρ为空气密度；Ａ为叶片在垂直于气流方向平面上的最大投影面积。新能源概论式中：Cy为升力系数；Cx为阻力系数。对于同一种翼型(截面形状)，其升力系数和阻力系数的比值，被称为升阻比(k)：4.2.2风力机工作原理新能源概论影响升力系数和阻力系数的因素a.翼型的影响:阻力:平板型弧板型流线型；升力:流线型弧板型平板型。对应的Cy与Cx值也符合同样的规律。4.2.2风力机工作原理新能源概论4.2.2风力机工作原理b.攻角的影响气流方向与叶片横截面的弦(L)的夹角α称为攻角，攻角有正有负。Cy与Cx值随α的变化而变化。新能源概论4.2.2风力机工作原理c.雷诺数的影响式中：V—吹向叶片的空气流速；l—翼型弦长；γ—空气的运动黏性系数，γ＝μ/ρ，μ为空气的动力黏性系数，ρ为空气密度。Re值越大，黏性作用越小，Cy值增加，Cx值减少，升阻比k值变大。新能源概论4.2.2风力机工作原理d.叶片表面粗糙度的影响叶片表面不可能做得绝对光滑，把凹凸不平的波峰与波谷之问高度的平均值称为粗糙度，粗糙度增大，Cx值变高，增加了阻力；而对Cy值影响不大。新能源概论实际叶片的受力分析a.安装角随着半径的增大而逐渐减小b.调节整个叶片的安装角c.变速运行方式4.2.2风力机工作原理新能源概论4.2.2风力机工作原理风力机的工作性能当流速为V的风吹向风轮，使风轮转动，该风轮扫掠的面积为A，空气密度为ρ，经过1s，流向风轮空气所具有的动能为若风轮的直径为D，则新能源概论4.2.2风力机工作原理风能不可能全被风轮捕获而转换成机械能，设由风轮轴输出的功率为N(风轮功率)，它与N0之比，称为风轮功率系数，用Cp表示。即于是Cp值为0.2-0.5。可以证明，Cp的理论最大值为0.593。新能源概论4.2.2风力机工作原理吹向风轮的风具有的功率为N0，风轮功率为此功率经传动装置、做功装置(如发电机、水泵等)，最终得到的有效功率为Ne。则风力机的系统效率(总体效率)η为式中：η1为传动装置效率；η2为做功装置效率。新能源概论4.2.2风力机工作原理风力机最终所发出的有效功率为对于结构简单、设计和制造比较粗糙的风力机，η值一般为0.1-0.2；对于结构合理、设计和制造比较精细的风力机，η值一般为0.2-0.35，最佳者可达0.40-0.45。新能源概论第三节风力发电技术4.3.1风力发电技术简介风力发电是在风力提水机的基础上发展起来的。丹麦是世界上最大的风力发电机组生产国，产量占世界60%以。独立的风电系统:风力发电机、逆变器和蓄电池新能源概论4.3.2海上风力发电优点：风更强更持续、空间广阔缺点：技术难度大悬浮式风力发电机：海风(Hywind)新能源概论4.3.3高空风力发电高空风能比低空风能要丰富且稳定。科学家根据相关的研究数据估计，如果在距地面大约500~12000m的高空中的风能能够全部转变为电能，可以满足全世界百倍的电力需求。在空中建造发电站，在高空发电，然后通过电缆输送到地面；2.在高空建设传动设备，将风能转化为机械能后直接输送到地面，再由发电机将其转换为电。新能源概论4.3.3高空风力发电新能源概论4.3.4低风速风力发电技术低风速指的是在海拔10m的高度上年平均风速不超过5.8m/s，相当于4级的风。要在此条件下使发电成本合乎要求，必须对风机进行必要的改进，主要措施包括：①在不增加成本的前提下，尽量增大转子直径，以获取尽可能多的能量；②尽量增加塔架高度，好处是可以提高风速；③提高发电设备及动力装置的效率。新能源概论4.3.5涡轮风力发电技术新型风力发电用涡轮机。这种涡轮机用一个罩子罩着涡轮机叶片，以产生低压区，使它能够以相当于正常速度3倍的速度吸入流过叶片的气流。风洞测试结果表明，有罩的涡轮机比无罩的涡轮机输出功率大6倍以上。新能源概论第四节风能存储技术4.4.1电池储能原理：风能转化的电能采用电池来存储.优点：简便易操作。不足：电池存储电能的效率不高，只有50%。充电次数受到限制，最好的情形也就是可充电2000~3000次环境温度会直接影响电池效率。新能源概论4.4.2水力蓄能按目前水力涡轮和水泵的技术水平，水力涡轮效0.85~0.91，水泵效率为0.83~0.87，加上水在管道内的流动摩擦损失，抽水蓄能的能量转换利用效率一般为0.68~0.75。新能源概论4.4.3飞轮蓄能在风力机与发电机之间安装一个飞轮，利用飞轮旋转时的惯性储能。风速高时，风能以动能的形式储存于飞轮中；风速低时，储存在飞轮中的动能带动发电机发电。新能源概论4.4.3飞轮蓄能以角速度ω绕轴线z转动的飞轮所具有的动能为式中；Jz—飞轮对轴线z的转动惯量，kg/m2；ri—分布质量距飞轮轴线的距离。用较大质量分布在距飞轮轴线的远端；采用高强度的碳纤维材料，在保证强度、刚度的前提下提高飞轮转速；都可以提高飞轮存储风能的容量。新能源概论4.4.4压缩空气蓄能一、常规压缩空气蓄能循环常规压缩空气蓄能(CAES)系统在储能过程中，由风能产生的富余电力带动压缩机向储气室6注入压缩空气。风电不足时，从储气室流出的空气进入燃气透平做功，释放出压缩空气所蓄能量。新能源概论4.4.4压缩空气蓄能二、电热冷联产压缩空气蓄能系统风能不足时，系统以同时供应电、热、冷的方式释放出存储的多余风能；需要对电热冷联产压缩空气蓄能装置产出的热量、冷量也实行存储。新能源概论4.4.5热能存储三种方式：新能源概论4.4.6氢能存储氢能是指游离的分子氢(H2)所具有的能量，而不是成为化合态的氢元素的能量。电解槽直流电氧气存储氢气存储燃料电池交流电至电网涡轮发电机网燃料供应新能源概论第五节风能利用发展现状和趋势4.5.1风能利用现状a.世界风电现状到目前为止，全球75个国家有商业运营的风电装机，其中22个国家的装机容量超过1GW。据全球风能理事会的统计，2011年全球风电新增装机排名前十位的国家分别是中国、美国、印度、德国、英国、加拿大、西班牙、意大利、法国和瑞典。新能源概论4.5.1风能利用现状全球风电市场增长率（2006~2011年）新能源概论4.5.1风能利用现状b.我国风电现状中国风力发电的发展历史较短，大型风力发电机组的研制从20世纪80年代开始。2011年，全国风电上网电量达715亿kWh，占全国发电量的1.5%。风电所产生的环境效益显现：标煤SO2CO2新能源概论4.5.1风能利用现状我国风电市场增长率（2006~2011年）新能源概论4.5.1风能利用现状区域特征截止到2011年12月31日，全国(不含港、澳、台)有30个省(市、自治区)有了自己的风电场，风电累计装机超过1GW的省份超过10个，其中超过2GW的省份9个。内蒙古自治区，其2011年当年新增装机3736MW、累计装机17.59GW，分别占全国市场的28%和21%。新能源概论4.5.2主要国家的支持政策和措施德国—实行固定上网电价，全球风电的领先者美国—激励补贴计划和财税优惠并举，可再生能源配额制作用显著丹麦—稳定持续的政策导向、强大的产业链支撑。新能源概论4.5.3风力发电的发展趋势(1)机组容量快速稳步上升(2)变桨距调节方式将逐渐成为主流(3)恒速运行方式走向变速运行方式(4)直驱式无齿轮箱系统的市场份额迅速扩大(5)风力发电成本将大幅降低(6)海上风电场飞速发展新能源概论思考题1.简述风和风能的特点和资源情况？2.简述风力发电机的工作原理、系统组成现状与发展趋势？3.简述制约风能产业的因素有哪些？4.风力发电系统的组成？5.简述风能利用的途径及现状？6.制约风能产业的因素有那些？7.如何实现我国风能产业又好又快发展？