新能源與分布式發(fā)電技術03風能與風力發(fā)電

1、新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 第第3 3講講 風力發(fā)電風力發(fā)電 關注的問題關注的問題 風是最常見的自然現(xiàn)象之一。風是怎樣形成的？風是最常見的自然現(xiàn)象之一。風是怎樣形成的？ 人類何時開始懂得對風能的利用？又是如何利用的？人類何時開始懂得對風能的利用？又是如何利用的？ 風力發(fā)電的原理是怎樣的？風力發(fā)電的設備什么樣？風力發(fā)電的原理是怎樣的？風力發(fā)電的設備什么樣？ 風力發(fā)電能達到什么樣的規(guī)模？發(fā)展狀況如何？風力發(fā)電能達到什么樣的規(guī)模？發(fā)展狀況如何？ 教學目標教學目標 了解風資源情況和風能利用的發(fā)展歷史，了解風資源情況和風能利用的發(fā)展歷史， 掌握風力發(fā)電的基本原理和主要

2、設備，掌握風力發(fā)電的基本原理和主要設備， 理解風力發(fā)電的重要意義和發(fā)展前景。理解風力發(fā)電的重要意義和發(fā)展前景。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.1 風能利用的歷史風能利用的歷史 人類利用風能的歷史，至少可以追溯到人類利用風能的歷史，至少可以追溯到50005000多年多年以前。以前。 埃及埃及可能是可能是最先利用風能最先利用風能的國家。的國家。 趣聞：風能與金字塔趣聞：風能與金字塔（見教材見教材） 2000多年多年以前，人類開始利用風的力量進行生產(chǎn)，例如靠以前，人類開始利用風的力量進行生產(chǎn)，例如靠 風力帶動簡易裝置來碾米磨面、引水灌溉。風力帶動簡易裝置來碾米磨

3、面、引水灌溉。 公元前幾百年公元前幾百年，亞洲的，亞洲的巴比倫人巴比倫人、波斯人波斯人也開始利用風能。也開始利用風能。 公元公元10世紀世紀，伊斯蘭人伊斯蘭人開始用風車提水。到開始用風車提水。到11世紀，風車世紀，風車 在中東地區(qū)已經(jīng)獲得廣泛的應用。在中東地區(qū)已經(jīng)獲得廣泛的應用。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.1 風能利用的歷史風能利用的歷史 12世紀世紀，風車的概念和設計，風車的概念和設計從中東傳入歐洲從中東傳入歐洲。 荷蘭人發(fā)明了水平轉(zhuǎn)軸荷蘭人發(fā)明了水平轉(zhuǎn)軸的塔形風車，并且很快風靡北歐。的塔形風車，并且很快風靡北歐。 唐吉訶德大戰(zhàn)風車的故事聽說過吧？唐

4、吉訶德大戰(zhàn)風車的故事聽說過吧？（教材引例故事教材引例故事） 除了磨面、榨油、造紙、鋸木等生產(chǎn)作業(yè)之外，除了磨面、榨油、造紙、鋸木等生產(chǎn)作業(yè)之外， 在比利時等在比利時等地勢較低國家還用風車來排水地勢較低國家還用風車來排水。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.1 風能利用的歷史風能利用的歷史 至少在至少在3000年以前年以前，我國就出現(xiàn)了帆船我國就出現(xiàn)了帆船。 中國最輝煌的風帆時代是明代，中國最輝煌的風帆時代是明代，鄭和下西洋鄭和下西洋，龐大的風帆，龐大的風帆 船（船（見教材見教材）在那幾次舉世聞名的航行中功不可沒。鄭和）在那幾次舉世聞名的航行中功不可沒。鄭和 的

5、的“準環(huán)球準環(huán)球”旅行，比西方的哥倫布和麥哲倫早了好幾百旅行，比西方的哥倫布和麥哲倫早了好幾百 年。年。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.1 風能利用的歷史風能利用的歷史 公元前數(shù)世紀我國人民就開始利用風力提水、灌溉、磨面、公元前數(shù)世紀我國人民就開始利用風力提水、灌溉、磨面、 舂米等。舂米等。 1300多年前宋代多年前宋代的一種垂直軸的一種垂直軸“走馬燈式走馬燈式” ，一直沿用到，一直沿用到 新中國成立（新中國成立（見教材見教材）。）。 中國沿海沿江地區(qū)的中國沿海沿江地區(qū)的風力提水灌溉或制鹽風力提水灌溉或制鹽的做法，曾經(jīng)非的做法，曾經(jīng)非 常盛行，僅在江蘇沿海

6、利用風力的設備就曾多達常盛行，僅在江蘇沿海利用風力的設備就曾多達。 我國使用最廣泛的是我國使用最廣泛的是“斜桿式斜桿式”風車風車，直到今天，沿海地，直到今天，沿海地 區(qū)農(nóng)田和鹽場中區(qū)農(nóng)田和鹽場中仍有上千臺仍有上千臺之多。之多。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.2 風和風資源風和風資源 3.2.1 風的形成風的形成 地球轉(zhuǎn)動，地表的地形差異，以及云層遮擋和太陽輻射角度的地球轉(zhuǎn)動，地表的地形差異，以及云層遮擋和太陽輻射角度的 差別，使地面受熱不均。差別，使地面受熱不均。 不同地區(qū)的不同地區(qū)的溫差溫差和空氣中和空氣中水蒸汽含量水蒸汽含量不同，形成不同的氣壓區(qū)。不同

7、，形成不同的氣壓區(qū)。 空氣從高氣壓區(qū)域向低氣壓區(qū)域的自然流動，稱為空氣從高氣壓區(qū)域向低氣壓區(qū)域的自然流動，稱為大氣運動大氣運動。 在氣象學上，一般把在氣象學上，一般把垂直方向的大氣運動稱為垂直方向的大氣運動稱為氣流氣流，水平方向，水平方向 的大氣運動就是的大氣運動就是風風。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.2.1 風的形成風的形成 按照形成原因，風有信風、海陸風和山谷風等。按照形成原因，風有信風、海陸風和山谷風等。 （1）信風信風 赤道附近氣溫高，熱氣上升；兩極氣溫低，冷氣下赤道附近氣溫高，熱氣上升；兩極氣溫低，冷氣下 降，相互填補空缺降，相互填補空缺 ，冷

8、空氣在地面附近從兩極流向赤道，冷空氣在地面附近從兩極流向赤道(高空高空 反之反之)。地球自西向東轉(zhuǎn)，北半球東北風，南半球東南風。地球自西向東轉(zhuǎn)，北半球東北風，南半球東南風。 （2）海陸風海陸風 海洋熱容量大。白天日照下陸地溫度比海面高，海洋熱容量大。白天日照下陸地溫度比海面高， 熱空氣上升，海面冷空氣在地表附近流向陸地，這就是海風。熱空氣上升，海面冷空氣在地表附近流向陸地，這就是海風。 夜間，陸地比海洋冷卻得快，形成流向海洋的陸風。夜間，陸地比海洋冷卻得快，形成流向海洋的陸風。 （3）山谷風山谷風 白天山坡朝陽面受熱較多，空氣上升；低凹處受白天山坡朝陽面受熱較多，空氣上升；低凹處受 熱少，冷空

9、氣從山谷流向山坡，形成谷風。夜間，山坡降溫幅熱少，冷空氣從山谷流向山坡，形成谷風。夜間，山坡降溫幅 度大，冷空氣則沿山坡向下流動，形成山風。度大，冷空氣則沿山坡向下流動，形成山風。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.2.1 風的形成風的形成 一般，在晴朗而且晝夜溫差較大的沿海地區(qū)，一般，在晴朗而且晝夜溫差較大的沿海地區(qū)，白天吹來海風白天吹來海風， 夜晚夜晚則有則有陸風吹向海上陸風吹向海上。 在山區(qū)，在山區(qū)，白天谷風從谷底向山上吹白天谷風從谷底向山上吹，晚上山風從山上向山下吹晚上山風從山上向山下吹。 大陸與海洋的熱容量差別，還會形成季節(jié)性的氣壓變化。以中大陸與海

10、洋的熱容量差別，還會形成季節(jié)性的氣壓變化。以中 國的國的華北地區(qū)華北地區(qū)為例，冬季內(nèi)陸氣溫低，多形成高氣壓區(qū)，空氣為例，冬季內(nèi)陸氣溫低，多形成高氣壓區(qū)，空氣 流向東南方向的海洋低氣壓區(qū)，所以在流向東南方向的海洋低氣壓區(qū)，所以在冬季多刮西北風冬季多刮西北風。而。而夏夏 季正好相反季正好相反，我國大部分地區(qū)常刮東南風。，我國大部分地區(qū)常刮東南風。 。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.2.2 風的描述風的描述 （1）風向風向 就是風吹來的方向。例如，南風。就是風吹來的方向。例如，南風。 早在商代，就有對風向的定義和觀測，早在商代，就有對風向的定義和觀測，見教材見教

11、材 （2）風速風速 就是單位時間內(nèi)空氣在水平方向上移動的距離。就是單位時間內(nèi)空氣在水平方向上移動的距離。 通常指一段時間內(nèi)的風速的算術平均值。通常指一段時間內(nèi)的風速的算術平均值。 （3）風能和風能密度風能和風能密度 風中流動的空氣所具有的能量，稱為風能。風中流動的空氣所具有的能量，稱為風能。 風能密度，就是單位面積上流過的風能。風能密度，就是單位面積上流過的風能。 23 11 22 EmvSv 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.2.3 世界風資源世界風資源 有專家估計，地球上的風能，大約是目前全世界能源總消耗量有專家估計，地球上的風能，大約是目前全世界能源總消

12、耗量 的的100倍倍，相當于，相當于萬億噸煤萬億噸煤蘊藏的能量。蘊藏的能量。 據(jù)據(jù)世界氣象組織世界氣象組織估計，全球大氣中蘊藏的總的風能功率約為估計，全球大氣中蘊藏的總的風能功率約為 1014 MW，其中可被開發(fā)利用的風能約有，其中可被開發(fā)利用的風能約有MW。 全球的風能折算為電能，相當于全球的風能折算為電能，相當于2.74萬億度萬億度，其中可利用的相，其中可利用的相 當于當于億度電億度電。 地球地球1.07億平方公里的陸地表面，億平方公里的陸地表面，平均風速高于平均風速高于5m/s（距地面（距地面 10m高處）的高處）的面積約占面積約占27%。 據(jù)分析，其中只有據(jù)分析，其中只有4左右左右的面

13、積有的面積有可能安裝風力發(fā)電機可能安裝風力發(fā)電機。以。以 目前的技術水平，目前的技術水平，每平方公里的風能發(fā)電量為每平方公里的風能發(fā)電量為330千瓦千瓦左右，左右， 平均平均每年發(fā)電量每年發(fā)電量的合理估計為的合理估計為萬度萬度左右。左右。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.2.4 我國風資源我國風資源 研究表明，全國研究表明，全國平均風能密度約為平均風能密度約為100W/m2，全國風能總儲量，全國風能總儲量 約約48億兆瓦，億兆瓦， 陸上和近海區(qū)域陸上和近海區(qū)域10米高度米高度可開發(fā)風能資源儲量約為可開發(fā)風能資源儲量約為10億千瓦億千瓦， 其中其中有很好開發(fā)利

14、用價值的陸上風資源大約有有很好開發(fā)利用價值的陸上風資源大約有千瓦千瓦。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.2.4 我國風資源我國風資源 中國氣象局風能太陽能資源評估中心，公布了中國氣象局風能太陽能資源評估中心，公布了 全國全國平均風速分布平均風速分布和和有效風功率密度分布有效風功率密度分布情況，參見教材圖情況，參見教材圖 3.4和圖和圖3.5。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.3 風力機的種類風力機的種類 各種類型的風力機，都至少包括葉片（有些稱為槳葉）、各種類型的風力機，都至少包括葉片（有些稱為槳葉）、 輪轂、轉(zhuǎn)軸、支架（

15、有些稱為塔架）等部分。其中由葉片輪轂、轉(zhuǎn)軸、支架（有些稱為塔架）等部分。其中由葉片 和輪轂等構成的旋轉(zhuǎn)部分又稱為和輪轂等構成的旋轉(zhuǎn)部分又稱為風輪風輪。 按轉(zhuǎn)軸與風向的關系，風力機大體上可分為兩類：按轉(zhuǎn)軸與風向的關系，風力機大體上可分為兩類： 水平軸風力機水平軸風力機（風輪的（風輪的旋轉(zhuǎn)軸與風向平行旋轉(zhuǎn)軸與風向平行）；）； 垂直軸風力機垂直軸風力機（風輪的（風輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面或氣流方向旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面或氣流方向）。）。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.3.1 水平軸風力機水平軸風力機 (1)荷蘭式風力機荷蘭式風力機 12世紀初世紀初荷蘭人荷蘭人發(fā)明，曾在歐

16、洲發(fā)明，曾在歐洲(荷、比、西等國荷、比、西等國)廣泛使用。廣泛使用。 這可能是出現(xiàn)這可能是出現(xiàn)最早的水平軸風力機最早的水平軸風力機。 荷蘭風車有兩種形式，詳見教材。荷蘭風車有兩種形式，詳見教材。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.3.1 水平軸風力機水平軸風力機 (2)螺旋槳式風力機螺旋槳式風力機 螺旋槳式水平軸風力機目前螺旋槳式水平軸風力機目前技術最成熟技術最成熟、生產(chǎn)量最多生產(chǎn)量最多。 其翼型與飛機的翼型類似，一般多為雙葉片或三葉片，也有少其翼型與飛機的翼型類似，一般多為雙葉片或三葉片，也有少 量用單葉片或四葉片以上的。量用單葉片或四葉片以上的。 新能源與

17、分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.3.1 水平軸風力機水平軸風力機 (3)多翼式風力機多翼式風力機 也叫也叫多葉式多葉式風力機，一般裝有風力機，一般裝有20枚左右的葉片，是典型的枚左右的葉片，是典型的低轉(zhuǎn)低轉(zhuǎn) 速大扭矩速大扭矩風力機。風力機。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.3.1 水平軸風力機水平軸風力機 (4)離心甩出式風力機離心甩出式風力機 是一種是一種不直接利用自然風不直接利用自然風的獨特設計。的獨特設計。 采用空心葉片。采用空心葉片。 結構比較復雜，通道內(nèi)空氣流動的結構比較復雜，通道內(nèi)空氣流動的 摩擦損失大摩擦損失大，總體

18、效率很低總體效率很低。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.3.1 水平軸風力機水平軸風力機 (5)透平式風力機透平式風力機 也叫也叫渦輪式渦輪式風力機，其結構形式燃氣輪機和蒸汽輪機類似，由風力機，其結構形式燃氣輪機和蒸汽輪機類似，由 靜葉片和動葉片靜葉片和動葉片組成。組成。 這種風力機的這種風力機的葉片短葉片短，強度高強度高，尤其，尤其適用于強風場合適用于強風場合，例如南，例如南 極和北極地區(qū)。極和北極地區(qū)。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.3.1 水平軸風力機水平軸風力機 (5)壓縮風能型風力機壓縮風能型風力機 是一種特殊

19、設計的風力機，是一種特殊設計的風力機，圖見教材圖見教材， 利用裝在葉輪外面的集風器或擴散筒，利用裝在葉輪外面的集風器或擴散筒， 提高經(jīng)過風輪的空氣密度提高經(jīng)過風輪的空氣密度， 或者或者增加風輪兩側的氣壓差增加風輪兩側的氣壓差， 從而提高風能吸收的效果。從而提高風能吸收的效果。 還有還有安裝和成本上的問題安裝和成本上的問題需要解決。需要解決。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.3.2 垂直軸風力機垂直軸風力機 (1)薩布紐斯式（薩布紐斯式（S式）風力機式）風力機 芬蘭工程師薩布紐斯發(fā)明，我國簡稱為芬蘭工程師薩布紐斯發(fā)明，我國簡稱為S式。式。 通常由兩枚半圓筒形的

20、葉片所構成，也有用通常由兩枚半圓筒形的葉片所構成，也有用34枚的。主要靠枚的。主要靠 兩側葉片的阻力差驅(qū)動，能兩側葉片的阻力差驅(qū)動，能產(chǎn)生很大的扭矩產(chǎn)生很大的扭矩。 但是能夠提供的但是能夠提供的功率輸出較低功率輸出較低， 效率最大不超過效率最大不超過10%。 為提高效率，可多層重疊（為提高效率，可多層重疊（圖見教材圖見教材） 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.3.2 垂直軸風力機垂直軸風力機 (2)達里厄型（達里厄型（D式）風力機式）風力機 法國工程師達里厄發(fā)明。法國工程師達里厄發(fā)明。 常見有常見有、H形結構等（形結構等（圖見教材）圖見教材）。 有有較高的功率

21、輸出較高的功率輸出，不過它的，不過它的起動扭矩低起動扭矩低。 裝置簡單，成本也比較低，裝置簡單，成本也比較低， 是是水平軸風力機的主要競爭者水平軸風力機的主要競爭者。 (3) S式和式和D式組合風力機式組合風力機 把把輸出性能好的輸出性能好的D式式風力機和風力機和啟動性能好的啟動性能好的S式式風力機風力機組合組合 在一起使用（在一起使用（圖見教材圖見教材），可以兼顧輸出能力、起動力矩），可以兼顧輸出能力、起動力矩 和成本。和成本。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.3.2 垂直軸風力機垂直軸風力機 (4)旋轉(zhuǎn)渦輪式風力機旋轉(zhuǎn)渦輪式風力機 靠壓差推動靠壓差推動的

22、橫流式風力機，其原理受通風機的啟發(fā)演變的橫流式風力機，其原理受通風機的啟發(fā)演變 而得。教材給出了一種多葉型旋轉(zhuǎn)渦輪式風力機的照片。而得。教材給出了一種多葉型旋轉(zhuǎn)渦輪式風力機的照片。 結構復雜價格也較高結構復雜價格也較高，有些能改變槳距，有些能改變槳距，起動性能好起動性能好，能，能 保持一定的轉(zhuǎn)速，保持一定的轉(zhuǎn)速，效率極高效率極高。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.3.2 垂直軸風力機垂直軸風力機 (5)美格勞斯效應風力機美格勞斯效應風力機 美格勞斯效應風力機由自旋的圓柱體組成，在氣流中工作時，美格勞斯效應風力機由自旋的圓柱體組成，在氣流中工作時， 產(chǎn)生的產(chǎn)生

23、的移動力由美格勞斯效應（移動力由美格勞斯效應（參見教材參見教材）引起）引起，大小與風速，大小與風速 成正比。在大的成正比。在大的圓形軌道上移動的小車圓形軌道上移動的小車上裝上回轉(zhuǎn)的圓筒，由上裝上回轉(zhuǎn)的圓筒，由 風力驅(qū)動小車，用裝在風力驅(qū)動小車，用裝在小車軸上的發(fā)電機發(fā)電小車軸上的發(fā)電機發(fā)電。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.4 水平軸風力機的結構和原理水平軸風力機的結構和原理 3.4.1 水平軸風力機的結構水平軸風力機的結構 目前目前應用較多的應用較多的是是水平軸風力機水平軸風力機，且多用，且多用螺旋槳型葉片螺旋槳型葉片。 水平軸風力機主要包括水平軸風力機主

24、要包括風輪風輪、塔架塔架、機艙機艙等部分。等部分。 風輪風輪是由輪轂及安裝于是由輪轂及安裝于輪轂輪轂上的若干上的若干葉片葉片(槳葉槳葉)組成，是風組成，是風 力機捕獲風能的部件；力機捕獲風能的部件； 塔架塔架是風力機的支撐結構；是風力機的支撐結構； 機艙機艙內(nèi)集中放置調(diào)向裝置、內(nèi)集中放置調(diào)向裝置、 控制裝置、傳動機構、發(fā)電機等。控制裝置、傳動機構、發(fā)電機等。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.4.2 水平軸風力機的原理水平軸風力機的原理 翼型及其受力翼型及其受力 在與飛行器設計有關的空氣動力學中，在與飛行器設計有關的空氣動力學中，升力是促使飛行器飛離升力是促使

25、飛行器飛離 地面的力地面的力，因而被稱為升力。，因而被稱為升力。 當當攻角為攻角為0時，升力最小時，升力最小。當氣流方向與物體表面垂直時，物。當氣流方向與物體表面垂直時，物 體受到的阻力最大。體受到的阻力最大。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.4.2 水平軸風力機的原理水平軸風力機的原理 伯努利效應伯努利效應 空氣的空氣的壓力與氣流的速度有一定的對應關系壓力與氣流的速度有一定的對應關系，流速越快，壓力流速越快，壓力 越低越低，這種現(xiàn)象叫作，這種現(xiàn)象叫作伯努利效應伯努利效應。 翼型上表面凸起部分的氣流較快，上表面的空氣壓力比下表面翼型上表面凸起部分的氣流較快，

26、上表面的空氣壓力比下表面 明顯要低，從而對翼型物體產(chǎn)生向上的明顯要低，從而對翼型物體產(chǎn)生向上的“吸入吸入”作用，增大升作用，增大升 力。力。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.4.2 水平軸風力機的原理水平軸風力機的原理 槳距（節(jié)距角）槳距（節(jié)距角） 攻角與葉片的安裝角度有關攻角與葉片的安裝角度有關。葉片的安裝角稱為葉片的安裝角稱為節(jié)距角節(jié)距角，有時，有時 也稱之為也稱之為槳距槳距，常用字母，常用字母表示表示。 當風輪旋轉(zhuǎn)時，葉片在垂直于氣流方向的方向上也與氣流有相當風輪旋轉(zhuǎn)時，葉片在垂直于氣流方向的方向上也與氣流有相 對運動，因而實際的攻角對運動，因而實際的

27、攻角與葉片靜止時的攻角不一樣。與葉片靜止時的攻角不一樣。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.4.2 水平軸風力機的原理水平軸風力機的原理 風能利用系數(shù)風能利用系數(shù) 任何類型風力機都不可能將接觸的風能全部轉(zhuǎn)化成機械能。任何類型風力機都不可能將接觸的風能全部轉(zhuǎn)化成機械能。 風力機能夠從風中吸取的能量，與風輪掃過面積內(nèi)的全部風能風力機能夠從風中吸取的能量，與風輪掃過面積內(nèi)的全部風能 (未受風輪干擾時未受風輪干擾時)之比，稱為之比，稱為風能利用系數(shù)風能利用系數(shù)。 根據(jù)根據(jù)BetzBetz理論理論( (見教材見教材) )，風能利用系數(shù)有理論最大值，約，風能利用系數(shù)有理論

28、最大值，約0.60.6。 風能利用系數(shù)主要取決于風輪葉片的設計（如攻角、槳距、翼風能利用系數(shù)主要取決于風輪葉片的設計（如攻角、槳距、翼 型）以及制造水平，還和轉(zhuǎn)速有關。高性能的螺旋槳式風力機，型）以及制造水平，還和轉(zhuǎn)速有關。高性能的螺旋槳式風力機， Cp值一般在值一般在0.45左右左右。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.4.2 水平軸風力機的原理水平軸風力機的原理 葉尖速比葉尖速比 葉片尖端旋轉(zhuǎn)速率葉片尖端旋轉(zhuǎn)速率與上游未受干擾的與上游未受干擾的風速風速之比，稱之比，稱葉尖速比葉尖速比， 常用字母常用字母來表示。來表示。 風能利用系數(shù)風能利用系數(shù)Cp與葉尖速

29、比有關，詳見教材。與葉尖速比有關，詳見教材。 當當 取特定值時取特定值時Cp值最大，稱之為值最大，稱之為最佳葉尖速比最佳葉尖速比。 246810121416 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 =0 =5 =10 =20 葉尖速比 風 能 利 用 系 數(shù) Cp 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.4.2 水平軸風力機的原理水平軸風力機的原理 容積比容積比 也叫實度，表示也叫實度，表示“實體實體”在掃掠面積中所占的百分數(shù)在掃掠面積中所占的百分數(shù)。 多葉片風力機具有很高的容積比，被稱為高容積比風力機；多葉片風力機具有很高的容積比，被稱為高容積比風力機； 具有

30、少數(shù)幾個窄葉片的風力機，則被稱為低容積比風力機。具有少數(shù)幾個窄葉片的風力機，則被稱為低容積比風力機。 多個葉片會互相干擾，因此總體上高容積比的風力機效率低。多個葉片會互相干擾，因此總體上高容積比的風力機效率低。 不過，不過，空氣動力學噪聲一般較小空氣動力學噪聲一般較小。 低容積比風力機，如果低容積比風力機，如果葉尖速比太低葉尖速比太低，有些，有些風會直接吹過風會直接吹過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 的掃掠面積；如果的掃掠面積；如果葉尖速比太高葉尖速比太高，一些氣流將繞開風力機流過。，一些氣流將繞開風力機流過。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.4.2 水平軸風力機的原理水平軸風力

31、機的原理 力矩和轉(zhuǎn)速力矩和轉(zhuǎn)速 風力機風力機機械能機械能等于葉片等于葉片角速度角速度與風作用于風輪的與風作用于風輪的力矩力矩的的乘積乘積。 獲取風能相同，獲取風能相同，角速度小，則力矩大角速度小，則力矩大；角速度大，則力矩小。；角速度大，則力矩小。 低速風力機的輸出功率小，扭矩系數(shù)大，用于磨面和提水的風低速風力機的輸出功率小，扭矩系數(shù)大，用于磨面和提水的風 力機，常采用多葉片風力機。力機，常采用多葉片風力機。 高速風力機效率高、輸出功率大，因此風力發(fā)電常用高速風力機效率高、輸出功率大，因此風力發(fā)電常用23葉片。葉片。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.4.2

32、水平軸風力機的原理水平軸風力機的原理 取自風能的功率取自風能的功率 風力機捕獲風能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功率：風力機捕獲風能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功率： 3 mppw C0.5CA w PPv 一般不易對空氣密度、風速、葉片半徑等進行實時控制，為了一般不易對空氣密度、風速、葉片半徑等進行實時控制，為了 實現(xiàn)實現(xiàn)風能捕獲最大化風能捕獲最大化，唯一的，唯一的控制控制參數(shù)就是參數(shù)就是風能利用系數(shù)風能利用系數(shù)Cp 。 主要是控制葉尖速比和槳距等。主要是控制葉尖速比和槳距等。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.4.2 水平軸風力機的原理水平軸風力機的原理 工作風速工作風速 風力機并不是在所有風

33、速下都能正常工作。風力機并不是在所有風速下都能正常工作。 起動風速起動風速“切入風速切入風速” ； “額定風速額定風速” ； 停機風速停機風速“切出風速切出風速” 。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.4.3 風力機的功率調(diào)節(jié)方式風力機的功率調(diào)節(jié)方式 定槳距風力機功率調(diào)節(jié)定槳距風力機功率調(diào)節(jié) 風輪葉片的風輪葉片的槳距角固定不變槳距角固定不變，利用葉片的失速特性調(diào)節(jié)利用葉片的失速特性調(diào)節(jié)風力機風力機 的輸出功率。的輸出功率。 在額定風速以下，吸收的能量隨流速上升而增加；在額定風速以下，吸收的能量隨流速上升而增加； 當當超過額定風速后超過額定風速后，葉片，葉片翼型

34、發(fā)生變化翼型發(fā)生變化，葉片后側的氣流分離，葉片后側的氣流分離 產(chǎn)生湍流產(chǎn)生湍流，葉片，葉片效率急劇下降效率急劇下降，輸出功率不隨風速上升而增加。，輸出功率不隨風速上升而增加。 失速型失速型葉片存在扭角葉片存在扭角，失速從葉片的局部開始，隨風速的上升，失速從葉片的局部開始，隨風速的上升 而逐步向葉片全長發(fā)展，起到功率調(diào)節(jié)作用。而逐步向葉片全長發(fā)展，起到功率調(diào)節(jié)作用。 定槳距風力機定槳距風力機的風功率捕獲控制完全的風功率捕獲控制完全依靠葉片的氣動性能依靠葉片的氣動性能，優(yōu)，優(yōu) 點是結構簡單、造價低、同時具有較好的安全系數(shù)。缺點是點是結構簡單、造價低、同時具有較好的安全系數(shù)。缺點是難難 以對風功率的

35、捕獲進行精確的控制以對風功率的捕獲進行精確的控制。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.4.3 風力機的功率調(diào)節(jié)方式風力機的功率調(diào)節(jié)方式 變槳距風力機功率調(diào)節(jié)變槳距風力機功率調(diào)節(jié) 通過通過調(diào)節(jié)槳距角調(diào)節(jié)槳距角改變改變?nèi)~片攻角葉片攻角，以改變?nèi)~片的風能捕獲能力。，以改變?nèi)~片的風能捕獲能力。 啟動時啟動時，調(diào)節(jié)槳距角，限制風能捕獲以維持風力機轉(zhuǎn)速恒定。，調(diào)節(jié)槳距角，限制風能捕獲以維持風力機轉(zhuǎn)速恒定。 低于額定風速低于額定風速時，保持槳距角恒定，通過調(diào)速控制使風力機運時，保持槳距角恒定，通過調(diào)速控制使風力機運 行于最佳葉尖速，維持風力機組在最佳風能捕獲效率下運行。行于

36、最佳葉尖速，維持風力機組在最佳風能捕獲效率下運行。 高于額定風速高于額定風速時，調(diào)節(jié)風力機槳距角，使風輪葉片的失速效應時，調(diào)節(jié)風力機槳距角，使風輪葉片的失速效應 加深，從而限制風能的捕獲。加深，從而限制風能的捕獲。 變槳距功率調(diào)節(jié)變槳距功率調(diào)節(jié)可在高于額定風速時保持穩(wěn)定的功率輸出可在高于額定風速時保持穩(wěn)定的功率輸出，并，并 且機組結構受力相對較小。且機組結構受力相對較小。 但是需要槳距調(diào)節(jié)裝置，但是需要槳距調(diào)節(jié)裝置，控制系統(tǒng)復雜，價格較高控制系統(tǒng)復雜，價格較高，風速跟蹤，風速跟蹤 有延時，可能導致風力機有延時，可能導致風力機瞬間超載瞬間超載。同時，風速的不斷變化會。同時，風速的不斷變化會 導致

37、變槳機構頻繁動作，損壞后維修費用昂貴。導致變槳機構頻繁動作，損壞后維修費用昂貴。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.5 風力發(fā)電機組風力發(fā)電機組 3.5.1 風電機組及其構成風電機組及其構成 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.5.2 風力發(fā)電機風力發(fā)電機 常見的風力發(fā)電機類型常見的風力發(fā)電機類型 （1）恒速恒頻的鼠籠式感應發(fā)電機）恒速恒頻的鼠籠式感應發(fā)電機 （2）變速恒頻的雙饋感應式發(fā)電機）變速恒頻的雙饋感應式發(fā)電機 （3）變速變頻的直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機）變速變頻的直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電

38、技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.5.3 傳動和控制機構傳動和控制機構 包括傳動結構（例如齒輪箱）、對風系統(tǒng)（偏航系統(tǒng)）、限速包括傳動結構（例如齒輪箱）、對風系統(tǒng)（偏航系統(tǒng)）、限速 和制動裝置。和制動裝置。詳見教材詳見教材 3.5.4 塔架和機艙塔架和機艙 塔架的高度視地面障礙物對風速影響的情況及風輪直徑大小而塔架的高度視地面障礙物對風速影響的情況及風輪直徑大小而 定定（詳見教材）（詳見教材） 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.6 風電場風電場 3.6.1 風電場的概念風電場的概念 在風力資源豐富的地區(qū)，將數(shù)十臺至數(shù)千臺單機容量較大的風在風力資源豐富的地區(qū)，將數(shù)十臺

39、至數(shù)千臺單機容量較大的風 力發(fā)電機組集中安裝在特定場地，按照地形和主風向排成陣列，力發(fā)電機組集中安裝在特定場地，按照地形和主風向排成陣列， 組成發(fā)電機群，產(chǎn)生數(shù)量較大的電力并送入電網(wǎng)，這種風力發(fā)組成發(fā)電機群，產(chǎn)生數(shù)量較大的電力并送入電網(wǎng)，這種風力發(fā) 電的場所就是電的場所就是風電場風電場。 風電場風電場單機容量小單機容量小、機組數(shù)目多機組數(shù)目多。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.6 風電場風電場 更多類型的風電場照片，詳見教材更多類型的風電場照片，詳見教材3.6節(jié)。節(jié)。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.6 風電場風電場 3.

40、6.2 風力發(fā)電的特點風力發(fā)電的特點 優(yōu)點：優(yōu)點： （1）沒有直接污染排放；）沒有直接污染排放； （2）不需要水參與發(fā)電過程；）不需要水參與發(fā)電過程； （3）經(jīng)濟性好。）經(jīng)濟性好。 對環(huán)境的負面影響：對環(huán)境的負面影響： （1）風力機的噪聲；）風力機的噪聲； （2）風力機的電磁干擾；）風力機的電磁干擾； （3）視覺影響；等等。）視覺影響；等等。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.7 風電的發(fā)展世界風電的發(fā)展世界 世界之最：（世界之最：（詳見教材詳見教材） 第一個風力發(fā)電站；第一個風力發(fā)電站； 第一臺螺旋槳式大型風力發(fā)電機；第一臺螺旋槳式大型風力發(fā)電機； 第一臺兆

41、瓦級風力發(fā)電機；第一臺兆瓦級風力發(fā)電機； 現(xiàn)代風力機的雛形?，F(xiàn)代風力機的雛形。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.7 風電的發(fā)展世界風電的發(fā)展世界 20世紀世紀70年代以來，隨著世界性能源危機和環(huán)境污染日趨嚴重，年代以來，隨著世界性能源危機和環(huán)境污染日趨嚴重， 在風力發(fā)電技術研究和應用上投入了相當大的人力及資金，研在風力發(fā)電技術研究和應用上投入了相當大的人力及資金，研 制出了高效、可靠的風力發(fā)電機，為風電的大規(guī)模發(fā)展提供了制出了高效、可靠的風力發(fā)電機，為風電的大規(guī)模發(fā)展提供了 條件。條件。 1997-2007世界風電總裝機容量（GW）的增長趨勢 新能源與分布式

42、發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.7 風電的發(fā)展世界風電的發(fā)展世界 世界上已運行的世界上已運行的最大風電機組單機容量最大風電機組單機容量已達到已達到 5MW， 而而MW風電機組也已研制成功。風電機組也已研制成功。 世界風能利用排名前十的國家世界風能利用排名前十的國家，參見教材圖，參見教材圖3.33和相關說明。和相關說明。 目前，海上風電機組的平均單機容量在目前，海上風電機組的平均單機容量在3 MW左右，最大已達左右，最大已達 6 MW。全世界海上風電總裝機容量超過。全世界海上風電總裝機容量超過80萬千瓦。萬千瓦。 歐洲風能協(xié)會歐洲風能協(xié)會和和綠色和平組織綠色和平組織的最新出

43、版物的最新出版物風電風電12指出，指出， 到到2020年年世界電力的世界電力的xx%將來源于風電將來源于風電。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.7 風電的發(fā)展我國風電的發(fā)展我國 中國之最：（中國之最：（詳見教材詳見教材） 中國第一個并網(wǎng)風電場；中國第一個并網(wǎng)風電場； 中國第一個大型風電場；中國第一個大型風電場； 亞洲第一臺亞洲第一臺3兆瓦海上風電機組。兆瓦海上風電機組。 趣聞：趣聞：吐魯番的吐魯番的“風車森林風車森林” （詳見教材詳見教材） 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.7 風電的發(fā)展我國風電的發(fā)展我國 年我國風電裝機容

44、量變化年我國風電裝機容量變化 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.7 風電的發(fā)展我國風電的發(fā)展我國 自自2005年起，風電規(guī)模年起，風電規(guī)模連續(xù)三年實現(xiàn)翻倍增長連續(xù)三年實現(xiàn)翻倍增長，即新增裝機容，即新增裝機容 量每年都增加量每年都增加100%，成為世界風電快速增長的市場之一。，成為世界風電快速增長的市場之一。 到到2008年底，風電裝機容量已達年底，風電裝機容量已達1217萬千瓦萬千瓦。提前。提前3年超額實年超額實 現(xiàn)了現(xiàn)了2010年年500萬千瓦的風電裝機目標。萬千瓦的風電裝機目標。 按目前增長趨勢，到按目前增長趨勢，到2010年中國總裝機容量將近年中國總裝機

45、容量將近億千瓦；億千瓦； 預計到預計到2020年，中國總裝機容量將達到年，中國總裝機容量將達到億千瓦億千瓦。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 第第3 3講講 風力發(fā)電風力發(fā)電 關注的問題關注的問題 風是最常見的自然現(xiàn)象之一。風是怎樣形成的？風是最常見的自然現(xiàn)象之一。風是怎樣形成的？ 人類何時開始懂得對風能的利用？又是如何利用的？人類何時開始懂得對風能的利用？又是如何利用的？ 風力發(fā)電的原理是怎樣的？風力發(fā)電的設備什么樣？風力發(fā)電的原理是怎樣的？風力發(fā)電的設備什么樣？ 風力發(fā)電能達到什么樣的規(guī)模？發(fā)展狀況如何？風力發(fā)電能達到什么樣的規(guī)模？發(fā)展狀況如何？ 教學目標教

46、學目標 了解風資源情況和風能利用的發(fā)展歷史，了解風資源情況和風能利用的發(fā)展歷史， 掌握風力發(fā)電的基本原理和主要設備，掌握風力發(fā)電的基本原理和主要設備， 理解風力發(fā)電的重要意義和發(fā)展前景。理解風力發(fā)電的重要意義和發(fā)展前景。 新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術 風力發(fā)電風力發(fā)電 3.1 風能利用的歷史風能利用的歷史 12世紀世紀，風車的概念和設計，風車的概念和設計從中東傳入歐洲從中東傳入歐洲。 荷蘭人發(fā)明了水平轉(zhuǎn)軸荷蘭人發(fā)明了水平轉(zhuǎn)軸的塔形風車，并且很快風靡北歐。的塔形風車，并且很快風靡北歐。 唐吉訶德大戰(zhàn)風車的故事聽說過吧？唐吉訶德大戰(zhàn)風車的故事聽說過吧？（教材引例故事教材引例故事） 除了磨面、榨油、造紙、鋸木等生產(chǎn)作業(yè)之外，除了磨面、榨油、造紙、鋸木等生產(chǎn)作業(yè)之外， 在比利時等在比利時等地勢較低國家還用風車來排水地勢較低國家還用風車來排水。