《風(fēng)電基礎(chǔ)知識》課件

風(fēng)電基礎(chǔ)知識

1精選課件目錄風(fēng)電行業(yè)特點及其相關(guān)核心知識概述風(fēng)資源知識風(fēng)區(qū)分類－IEC、GL標(biāo)準(zhǔn)空氣動力學(xué)風(fēng)機分類風(fēng)機基本控制概念風(fēng)機設(shè)計及其模擬軟件Bladed介紹2精選課件能源增長歷史3精選課件能源利用歷史4精選課件化石與核能的使用只是人類歷史長河的一瞬間5精選課件石油年生產(chǎn)6精選課件能源強度（總耗能/國家生產(chǎn)總值GNP）7精選課件風(fēng)電行業(yè)特點及其相關(guān)核心知識概述我國一次商品能源消費結(jié)構(gòu)世界一次商品能源消費結(jié)構(gòu)能源消費的國際比較—消費結(jié)構(gòu)8精選課件能源資源的特點和國際比較探明總資源量8230億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，探明剩余可采總儲量1390億噸標(biāo)準(zhǔn)煤剩余可采儲量的保證程度煤炭81年、石油15年、天然氣30年,鈾50年。以煤為主，缺乏石油、天然氣資源，水能較豐富人均能源資源量低于世界平均水平單位：年9精選課件能源價格對比根據(jù)國內(nèi)風(fēng)電成本測算得到的包括財務(wù)成本在內(nèi)的風(fēng)電平均成本為0.551元/(kWh)，在使用期的總成本費用已經(jīng)接近新投資的水電和火電。10精選課件2006年電力裝機及發(fā)電量比例11精選課件單位GDP能耗為了保護(hù)環(huán)境，我國政府已經(jīng)出臺了降耗規(guī)劃：“十一五”期間，全國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗指標(biāo)從2005年的1.22噸標(biāo)煤/萬元下降到2010年的0.98噸標(biāo)煤/萬元，降幅近20%。12精選課件為什么要發(fā)展風(fēng)力發(fā)電？（1）化石能源有限，發(fā)展風(fēng)電有利于提高中國能源供應(yīng)的安全性（2）風(fēng)能儲量大、廣泛，發(fā)展風(fēng)電是解決中國能源供應(yīng)不足的有效途徑（3）風(fēng)電清潔，發(fā)展風(fēng)電是減排溫室氣體排放的有效途徑.(京都議定書簽訂后，CDM機制）（4）發(fā)展風(fēng)電可以促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，并拉動機電制造業(yè)發(fā)展及解決就業(yè)。（如：丹麥）但到目前為止，風(fēng)電市場仍然是政策主導(dǎo)的市場2003年5月27日，歐洲風(fēng)能協(xié)會和綠色和平組織的環(huán)境組在布魯塞爾發(fā)布一項報告《風(fēng)力12》，這個戰(zhàn)略性藍(lán)圖勾畫出目前價值70億歐元的風(fēng)能工業(yè)如何能在2020年增值為750億歐元。到2020年，風(fēng)力發(fā)電將在全球電力市場中占12%。全世界風(fēng)力發(fā)電裝機容量將達(dá)到12.31億千瓦（123100萬千瓦），創(chuàng)造1.79億個就業(yè)機會，使發(fā)電成本降低40%，并累計減排二氧化碳1092.1萬噸。長達(dá)52頁的《風(fēng)力12》研究報告詳細(xì)論證了如何實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的美好前景。13精選課件中國風(fēng)能資源豐富國家氣象局依據(jù)分布在中國各地10米高氣象測風(fēng)儀數(shù)據(jù)統(tǒng)計：－陸地約有2.53億千瓦年電量5000億千瓦時海上初步估計可開發(fā)約7.5億千瓦合計約10億千瓦（2004年全國電力總裝機4.4億千瓦）其中內(nèi)蒙和新疆占中國風(fēng)資源的約70－80％14精選課件中國風(fēng)資源分布15精選課件與核電和大水電發(fā)展的比較全世界核電和大水電都是在較短時期內(nèi)占到較大比例的能源技術(shù)。核電從1960年的100萬kW開始，到1997年累積裝機3.43億kW，電量占16%。大水電從1950年的4500萬kW增長到1996年的7.15億kW，電量占19%。風(fēng)電現(xiàn)在已經(jīng)是商業(yè)化的產(chǎn)業(yè)，有能力成為主流電源之一。歐洲是世界上風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)先的地區(qū)，根據(jù)歐洲統(tǒng)計局的資料，目前，風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電量已占到了歐洲總發(fā)電量的3%以上，其中，丹麥風(fēng)電發(fā)電量占該國發(fā)電量的23%，德國和西班牙為13%和12%。在歐洲，風(fēng)電已經(jīng)成為一種重要的能源。16精選課件風(fēng)電項目箱式變電（升壓）變電站超高壓輸電風(fēng)機（降壓）變電站用戶不包含升壓變電站的項目包含升壓站的項目17精選課件海上變速風(fēng)機的并網(wǎng)Principallayoutofoffshorewindturbines,theircollectionandtransmission(C&T)systemsforinterconnectiontomains,i.e.,forfungiblepowertotheACnetworkandtrading18精選課件近海風(fēng)電技術(shù)：風(fēng)力發(fā)電機組－Vestas3MW2005年KentishFlat海上風(fēng)電場安裝30臺vestas3MW機組，該機組額定功率3MW，機艙（包括輪轂）重量111T。19精選課件風(fēng)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性模型風(fēng)能經(jīng)濟(jì)性發(fā)電成本風(fēng)資源及規(guī)律能源效率可利用率壽命直接投資成本融資成本運行維護(hù)費風(fēng)能的市場價值基本價值燃料節(jié)省資本節(jié)省貨幣化的環(huán)境收益排放減少化學(xué)燃料使用的減少20精選課件風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)電的度電成本模型（不考慮環(huán)境效益）部件成本組裝成本運輸成本風(fēng)機生產(chǎn)成本利潤風(fēng)機購買價格初始資本成本(ICC)風(fēng)場配套設(shè)施部件失敗率風(fēng)場人力耗材平均維修時間備件預(yù)定時間備件成本年運行維護(hù)成本(AOM)可利用率風(fēng)頻分布功率曲線驅(qū)動鏈效率上網(wǎng)損失年發(fā)電量(AEP)固定費率(FCR)度電成本(COE)COE=(FCR*ICC+AOM)/AEP基于20年。21精選課件風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)性國產(chǎn)風(fēng)電機組（600kW-750kW）: 4300元-4500元/kW國產(chǎn)風(fēng)電機組（1200kW）: 5700元/kW進(jìn)口風(fēng)電機組（850kW-900kW）: 500歐元-540歐元/kW （折合5000元-5400元/kW）進(jìn)口風(fēng)電機組（1000kW-1500kW）: 620歐元-700歐元/kW

（折合6200元-7000元/kW）風(fēng)電場建設(shè)項目總投資分析目前風(fēng)力發(fā)電機組價格水平風(fēng)電項目投資:7000元/KW–10000元/KW22精選課件中國風(fēng)電場建設(shè)項目上網(wǎng)電價對比

元/kW?h風(fēng)電場建設(shè)項目上網(wǎng)電價分析目前的風(fēng)電成本可控制在0.6元/度以下23精選課件風(fēng)機經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展目標(biāo)國家規(guī)劃到2020年，中國風(fēng)電裝機達(dá)3000萬千瓦，占預(yù)測總裝機10億千瓦的3％風(fēng)電成本接近常規(guī)能源，2020年目標(biāo)價格0.25元/度,10米高5.8米/秒（美國3美分/度，歐洲，2.34歐分/度）。風(fēng)機單位千瓦價格：國內(nèi)4500－5000元/千瓦2002年，歐洲先進(jìn)的風(fēng)電機組在最佳情況下運行的每千瓦裝機成本約為823歐元，每度電的成本為4.04歐分；預(yù)計到2020年，裝機成本會降到每千瓦497歐元，每度電的成本為2.34歐分。0246810121990Lowwindspeedsites199520002005201020152020Highwind

speedsitesBulkPowerCompetitivePriceBand目前的風(fēng)電成本可控制在0.6元/度以下。24精選課件風(fēng)電項目成本構(gòu)成在中國，風(fēng)電項目的固定資產(chǎn)投資構(gòu)成比例25精選課件風(fēng)電項目成本構(gòu)成舉例：英國5MW岸上項目成本構(gòu)成26精選課件風(fēng)機成本構(gòu)成27精選課件風(fēng)機機艙成本構(gòu)成英國28精選課件風(fēng)電項目中風(fēng)機故障構(gòu)成英國的統(tǒng)計29精選課件風(fēng)機制造行業(yè)特點原材料密集（體積大，重量重）資本密集技術(shù)密集知識密集研發(fā)周期長設(shè)計周期長試制生產(chǎn)周期長產(chǎn)品測試、認(rèn)證周期長市場：目前還是政策主導(dǎo)30精選課件企業(yè)核心競爭力目標(biāo)

野心越大，度量越大，越能包容人才。流程

做事的程序。

如：產(chǎn)品設(shè)計流程、制造流程、工藝流程，軟件的程序等。模型

如：結(jié)構(gòu)化的定性模型，功能模型（如組織機構(gòu)），還有經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，估算模型（如：風(fēng)湍流模型，風(fēng)機成本模型），精確定量的數(shù)學(xué)模型。數(shù)據(jù)庫

如：風(fēng)資源數(shù)據(jù)庫，產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫（PDM），知識庫，等31精選課件世界風(fēng)機制造業(yè)32精選課件世界風(fēng)機制造業(yè)33精選課件風(fēng)機制造業(yè)Repower2MW風(fēng)機34精選課件“金風(fēng)S43/600”含義：金風(fēng)（goldwind)－公司品牌S－stall，即失速控制43－葉輪的直徑為43m600－發(fā)電機的額定功率為600kw采用丹麥設(shè)計概念：上風(fēng)向，三葉片，失速控制，葉尖氣動剎車。是當(dāng)今風(fēng)機技術(shù)最簡單、成熟、可靠、安全的技術(shù)。金風(fēng)產(chǎn)品介紹40或50mΦ43mGOLDWIND35精選課件機型：失速型、帶葉尖氣動剎車、上風(fēng)向、三葉片額定功率：125/600kW風(fēng)輪直徑：43m輪轂中心高：40m,50m(根據(jù)塔架高度)起動風(fēng)速：3m/s額定風(fēng)速：15m/s停機風(fēng)速：25m/s最大抗風(fēng)：70m/s（3秒）最大風(fēng)能利用系數(shù)：CPmax≥0.4控制系統(tǒng)：計算機控制，遠(yuǎn)程監(jiān)控工作壽命：≥20年600KW風(fēng)機GOLDWIND36精選課件金風(fēng)失速型風(fēng)機機艙各零部件分布圖1.導(dǎo)流罩2.葉輪3.機艙4.增速箱5.高速機械剎車6.連軸器及安全離合器7.油散熱器8.發(fā)電機

9.風(fēng)速儀、風(fēng)向標(biāo)10.提升機11.發(fā)電機彈性支撐12.TB1控制器13.液壓站14.偏航軸承15.偏航剎車16.偏航驅(qū)動17.塔架18..機艙底板19.齒輪箱彈性支撐GOLDWIND37精選課件750KW風(fēng)機金風(fēng)S48/750機組總體技術(shù)參數(shù)機型：失速型、帶葉尖氣動剎車、上風(fēng)向、三葉片額定功率：750kW風(fēng)輪直徑：48.4m輪轂中心高：50m起動風(fēng)速：4m/s額定風(fēng)速：14-15m/s（與氣候條件有關(guān)）停機風(fēng)速：25m/s（10分鐘）GOLDWIND38精選課件1200KW風(fēng)機無齒輪、直驅(qū)、永磁發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可靠性高機械傳動損耗減少電機效率高運行范圍寬無需勵磁，無碳刷滑環(huán)發(fā)電品質(zhì)高，無需進(jìn)行無功補償GOLDWIND39精選課件GoldWind62/1200技術(shù)參數(shù)葉輪 直徑 62m

掃風(fēng)面積 3019m2

轉(zhuǎn)速范圍 10～20RPM1

葉片數(shù)量 3

葉片類型 LM29.1P或

相似葉片

功率控制 變速變槳

剎車系統(tǒng) 3套獨立的葉片剎車 塔架 類型 鋼制錐塔

輪轂中心高 69m運行數(shù)據(jù) 切入風(fēng)速 3m/s

額度風(fēng)速 12m/s

切出風(fēng)速 25m/s

抗最大風(fēng)速 59,5m/s

電機 類型 多極永磁同步發(fā)電機

結(jié)構(gòu) 直接驅(qū)動

額定功率 1200kW

額定電壓 Y690V

絕緣等級 F GOLDWIND40精選課件風(fēng)機主要組成偏航系統(tǒng)電機驅(qū)動鏈輪轂葉輪控制變電系統(tǒng)41精選課件風(fēng)力機組成的邏輯關(guān)系電網(wǎng)偏航裝置風(fēng)向風(fēng)速儀電壓、頻率值剎車盤42精選課件失速調(diào)節(jié)主動失速定速變速控制齒輪箱變槳距調(diào)節(jié)變速調(diào)節(jié)無齒輪箱Technologytrend國外大型風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)展趨勢43精選課件國際大型風(fēng)機的發(fā)展趨勢

——技術(shù)水平不斷提高風(fēng)力發(fā)電單機容量由1980年的30千瓦上升到2005年的5兆瓦44精選課件風(fēng)特性葉輪機械電機并網(wǎng)風(fēng)力極限疲勞振動控制材料制造￥葉片設(shè)計部件制造COE風(fēng)機(知識)體系結(jié)構(gòu)與邊界條件CostofEnergy頻率50Hz電壓690V或其他功率因數(shù)>0.98噪音－葉尖速－轉(zhuǎn)速材料強度控制能力運輸安裝部件共振耦合結(jié)構(gòu)45精選課件頻率與電機轉(zhuǎn)速、齒輪箱增速比、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系如：電機的輸出頻率

電網(wǎng)頻率50Hz，則發(fā)電機轉(zhuǎn)速對與常見兩極對的電機，電機轉(zhuǎn)速為1500RPM由于噪聲要求，葉尖速度有個限值，如<65m/s,對于定速風(fēng)機，以750KW為例，轉(zhuǎn)輪直徑50米，葉輪轉(zhuǎn)速約為22.25rpm,葉尖速則為58m/s,因此齒輪箱的增速比就為1500/22.25=67.446精選課件風(fēng)機設(shè)計的邊界條件電網(wǎng)約束葉尖噪音約束共振耦合約束材料強度約束控制能力約束制造能力約束運輸安裝維護(hù)能力約束在以上約束的情況下，要駕馭風(fēng)并充分利用風(fēng)能。要駕馭風(fēng)，就要了解風(fēng)的習(xí)性，即風(fēng)的脾氣和性格47精選課件風(fēng)有哪些習(xí)性？風(fēng)是個三維的（脈動）矢量（風(fēng)速、風(fēng)向（、湍流））風(fēng)在空間分布上的切變特性風(fēng)在時間序列上的統(tǒng)計特性

長期的統(tǒng)計

年平均風(fēng)速、年風(fēng)向玫瑰圖

風(fēng)頻分布（年）

功率譜密度

短期的統(tǒng)計（幾秒）湍流強度

自相關(guān)函數(shù)物理特性：可壓縮流體，低速時假設(shè)為不可壓縮

風(fēng)的密度（越冷越重，越高越輕，越濕越輕）風(fēng)能量特性－正比風(fēng)速的三次方、風(fēng)輪直徑的平方48精選課件風(fēng)機設(shè)計涉及的主要知識49精選課件風(fēng)機設(shè)計知識的核心點目標(biāo)市場的風(fēng)資源、風(fēng)特性(如：湍流特點及模型等）分析，設(shè)計或選擇適合風(fēng)資源特點的高效風(fēng)輪（當(dāng)今先進(jìn)的風(fēng)輪效率Cp可達(dá)0.5)針對風(fēng)特性、風(fēng)輪及傳動鏈的優(yōu)化的安全、控制策略

以減小和降低各種載荷，減少如共振問題，材料疲勞、并網(wǎng)等問題，提高風(fēng)能吸收效率風(fēng)機系統(tǒng)整機設(shè)計策略及布局，荷載傳遞函數(shù)、整機動態(tài)模擬及傳動鏈優(yōu)化設(shè)計部件的疲勞設(shè)計

（這里涉及一個基礎(chǔ)問題－－材料的疲勞特性，與一個國家的原材料工業(yè)及其研究有關(guān)）還有對各種不利的載荷工況的認(rèn)識，參閱IEC、GL等標(biāo)準(zhǔn)。最終為減輕風(fēng)機的整體重量，獲得最低的度電成本（COE）50精選課件Asthebladessweepthediskofair,thebladetipspeedIstypically6to10timesthewindspeed.風(fēng)機如何在風(fēng)中工作單位面積風(fēng)中的能量，與風(fēng)速的3次方成正比Cp

吸收效率ρ

空氣密度，標(biāo)準(zhǔn)密度：1.225kg/m3A風(fēng)輪面積，pD2/4U風(fēng)速風(fēng)機吸收的能量吸收風(fēng)能，承受推力51精選課件風(fēng)機如何在風(fēng)中工作52精選課件風(fēng)吹過風(fēng)輪后會怎樣

轉(zhuǎn)輪旋渦氣動模型

根據(jù)空氣對葉輪的反作用53精選課件風(fēng)機尾流54精選課件單位面積中的風(fēng)能Thegraphshowsthatatawindspeedof8metrespersecondwegetapower(amountofenergypersecond)of314Wattspersquaremetreexposedtothewind(thewindiscomingfromadirectionperpendiculartothesweptrotorarea).At16m/swegeteighttimesasmuchpower,i.e.2509W/m2.Thetableintherightgivesyouthepowerpersquaremetreexposedtothewindfordifferentwindspeeds.55精選課件風(fēng)能的好壞（用風(fēng)能密度W評估）W<100W/m2–poor不好W約400W/m2–good好W>700W/m2–great很好56精選課件風(fēng)資源特點－風(fēng)功率譜密度與風(fēng)機設(shè)計、振動疲勞荷載及電能質(zhì)量有關(guān)與氣象系統(tǒng)有關(guān)，難預(yù)測預(yù)測相對容易，與日發(fā)電量、日負(fù)荷電力調(diào)度有關(guān)57精選課件風(fēng)資源數(shù)據(jù)統(tǒng)計精度對風(fēng)機設(shè)計的影響風(fēng)隨時間和空間變化，產(chǎn)生劇烈的隨機脈動，通過3次方關(guān)系的放大，極易形成巨幅的能量變化和脈動荷載，從而引起材料的疲勞。風(fēng)既是風(fēng)機能量的來源，也是風(fēng)機載荷的來源。如果能得到精確的風(fēng)脈動（統(tǒng)計規(guī)律）特點，就能更精確地得到隨機載荷的特點，從而預(yù)測材料的疲勞損傷過程，能更經(jīng)濟(jì)的設(shè)計風(fēng)機。缺少一般詳細(xì)風(fēng)V,P(t)V(t),V(t+Δt)V(t)力FF(t),F(t+Δt)F(t)材料s,es(t),s(t+Δt)e(t),

e(t+Δt)s(t),e(t)（這里還涉及一個基礎(chǔ)問題，材料的疲勞特性，與一個國家的原材料工業(yè)及其研究有關(guān)）58精選課件風(fēng)的形成風(fēng)資源描述風(fēng)能計算

風(fēng)資源知識59精選課件1、風(fēng)的形成1.1地球上的風(fēng)

風(fēng)是主要由于太陽對地球不同地方的輻射強度不一樣形成的溫差和壓差而產(chǎn)生，是太陽能的一種表現(xiàn)形式。另外，大范圍的大氣循環(huán)也在受地球自轉(zhuǎn)的影響。

風(fēng)——空氣的流動現(xiàn)象。氣象學(xué)中指空氣相對于地面的水平運動。風(fēng)是一個矢量，用風(fēng)向和風(fēng)速表示。

風(fēng)向——指風(fēng)的來向。我國風(fēng)向觀測用十六個方位表示，實際測風(fēng)報告中還常用0-360°范圍內(nèi)的數(shù)字表示風(fēng)向。

風(fēng)速——單位時間內(nèi)空氣移動的距離。氣象上對風(fēng)速還作以下定義：（1）平均風(fēng)速，相應(yīng)于有限時段，通常指二分鐘或十分鐘的平均情況。（2）瞬時風(fēng)速，相應(yīng)于無限小的時段。（3）最大風(fēng)速，指在給定的時間段或某個期間里面，平均風(fēng)速中的最大值。（4）極大風(fēng)速，指在給定的時間段內(nèi)，瞬時風(fēng)速的最大值。60精選課件風(fēng)速換算風(fēng)速的法定單位和幾種常用單位的換算。單位米·秒-1海里·時-1千米·時-1英尺·秒-1英里·時-11米·秒-111.9438443.6003.280842.236941海里·時-10.5144411.8521.68780991.15077951千米·時-10.2780.5399610.91134440.621369951英尺·秒-10.30480.5924841.0972810.6818181英里·時-10.447040.8689761.466667161精選課件1.2.1大氣環(huán)流風(fēng)在地表上形成的根本原因是太陽能量的傳輸，由于地球是一個球體，太陽光輻射到地球上的能量隨緯度不同而有差異，赤道的低緯度地區(qū)受熱量最多，極地和高緯度地受熱量少，因而造成太陽對地球表面的不均勻加熱，從而導(dǎo)致地面上空大規(guī)模的大氣運動，也即總的大氣環(huán)流。假設(shè)地球不發(fā)生自轉(zhuǎn)，由于極地與赤道間的溫差，赤道溫度高的空氣將上升高層流向極地，極地附近大氣則因冷卻收縮下沉，在低空受指向低緯度的氣壓梯度力的作用，流向低緯，便形成了一個全球性的南北向環(huán)流。（圖1）

1.2地球上的環(huán)流圖1由于太陽輻射差異產(chǎn)生的赤道與極地之間的大氣環(huán)流狀況62精選課件

1.2.1大氣環(huán)流(續(xù))

實際上由于地球自轉(zhuǎn)，會產(chǎn)生一個稱為科里奧利力的地轉(zhuǎn)偏向力,在北半球總是對流動的空氣產(chǎn)生向右偏的地轉(zhuǎn)偏向力，從赤道上升流向極地的氣流在氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力的作用和綜合影響下，在南北兩個半球上各出現(xiàn)了四個氣壓帶和三個閉合環(huán)流圈（稱作“三圈環(huán)流”）。在四個氣壓帶之間則形成了極地東風(fēng)帶，盛行西風(fēng)帶,東北(東南)信風(fēng)帶以及赤道無風(fēng)帶四大風(fēng)帶。（圖2）圖2由于地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的大氣環(huán)流狀況63精選課件地球自轉(zhuǎn)對氣流的影響

HowtheCoriolisForceAffectsGlobalWindsPrevailingWindDirections

Latitude 90-60°N60-30°N30-0°N0-30°S30-60°S60-90°S DirectionNE SW NE SE NW SE Thewindrisesfromtheequatorandmovesnorthandsouthinthehigherlayersoftheatmosphere.Around30°latitudeinbothhemispherestheCoriolisforcepreventstheairfrommovingmuchfarther.Atthislatitudethereisahighpressurearea,astheairbeginssinkingdownagain.AsthewindrisesfromtheequatortherewillbealowpressureareaclosetogroundlevelattractingwindsfromtheNorthandSouth.AtthePoles,therewillbehighpressureduetothecoolingoftheair.KeepinginmindthebendingforceoftheCoriolisforce,wethushavethefollowinggeneralresultsfortheprevailingwinddirection:64精選課件1.2.2季風(fēng)環(huán)流季風(fēng)現(xiàn)象：在一個大范圍地區(qū)內(nèi)其盛行風(fēng)向或氣壓系統(tǒng)有明顯的季度變化。我國是一個典型的季風(fēng)氣候國家。季風(fēng)環(huán)流是季風(fēng)氣候的主要反映。季風(fēng)環(huán)流的形成主要原因是由于海陸分布的熱力差異及行星風(fēng)帶的季節(jié)轉(zhuǎn)換所形成的。一般海陸差異引起的季風(fēng)，大都發(fā)生在海陸相接的地區(qū)，海陸之間熱力差異最大，季風(fēng)現(xiàn)象就最明顯。全球而言，在副熱帶地區(qū)這種差異最明顯，即副熱帶季風(fēng)（亦稱溫帶季風(fēng)）最強。亞洲東部地區(qū)是全球海陸差異引起的季風(fēng)最強的地區(qū)。65精選課件1.2.2季風(fēng)環(huán)流(續(xù))

我國的季風(fēng)，冬季主要在西風(fēng)帶影響之下，盛行西北氣流。夏季西風(fēng)帶北移，南方為大陸熱低壓控制，副熱帶高壓從海洋移至大陸，我國流場轉(zhuǎn)為西南氣流，春秋則為過渡季節(jié)。此外，海陸分布，青藏高原對我國季風(fēng)環(huán)流也產(chǎn)生重要影響。冬季，大陸高壓氣壓梯度強大，而夏季熱低壓的氣壓梯度較弱，因而我國夏季風(fēng)比冬季風(fēng)弱，這是我國季風(fēng)的重要特征。我國的風(fēng)場特征，必須注意到季風(fēng)環(huán)流這一重要的背景，無論風(fēng)電場的選址或運行，季風(fēng)特征必須認(rèn)真考慮。66精選課件(圖3)海陸風(fēng)(圖4)山谷風(fēng)1.2地球上的環(huán)流1.2.3局地環(huán)流67精選課件2.2平均風(fēng)速

風(fēng)資源描述平均風(fēng)速為風(fēng)速在規(guī)定時距T內(nèi)的時間平均值，

即：

采用合適時距T的平均風(fēng)速（例如10分鐘），它在一段觀測期內(nèi)的變化一般不明顯。

實際平均風(fēng)速是由在相應(yīng)的時距中，將其瞬時風(fēng)速相互抵消后所得的綜合結(jié)果，采用不同的平均時距就會得到不同的平均風(fēng)速，時距愈大，平均風(fēng)速的變化愈小，而相應(yīng)的平均風(fēng)速最大值也愈小。為了得可以相互比較的平均風(fēng)速記錄，氣象上規(guī)定一個統(tǒng)一的平均時距，世界氣象組織和我國規(guī)定將10分鐘平均時距作為平均風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)時距。由于歷史的原因和條件的限制（如目測），在一些報表和項目中使用的是2分鐘或更多種的平均風(fēng)速，使用時必須加以注意。68精選課件風(fēng)力等級表風(fēng)力等級自由海面狀況海上船只征象陸地地面物征象距地10米高處的相當(dāng)風(fēng)速浪高公里/時海里/時米/秒一般（米）最高（米）0----靜靜、煙直上小于1小于10-0.210.10.1平常漁船略覺搖動煙能表示風(fēng)向，但風(fēng)向標(biāo)不能轉(zhuǎn)動1-51-30.3-1.520.20.3漁船張帆時，每小時可隨風(fēng)移行2-3公里人面感覺有風(fēng)，樹葉微響，風(fēng)向標(biāo)能轉(zhuǎn)動6-114-61.6-3.330.61.0漁船漸覺簸動，每小時可隨風(fēng)移行5-6公里樹葉及微枝搖動不息，旌旗展開12-197-103.4-5.441.01.5漁船滿帆，可使船身傾向一側(cè)能吹起地需灰塵和紙張，樹的小枝搖動20-2811-165.5-7.952.02.5漁船縮帆（即收去帆之一部）有葉的小樹搖擺，內(nèi)陸的水面有不波29-3817-219.0-10.763.04.0漁船加倍縮帆，捕魚需注意風(fēng)險大樹枝搖動，電線呼呼有聲，舉傘困難39-4922-2710.8-13.874.05.5漁船停泊港中，在海者下錨全樹搖動，迎風(fēng)步行感覺不便50-6128-3313.9-17.185.57.5汽船的漁船皆停留不出策枝折毀，人向前行，感覺阻力甚大62-7434-4017.2-20.797.010.0汽船航行困難建筑物有小損（煙囪頂部及平屋搖動）75-8841-4720.8-24.4109.012.5汽船航行頗危險陸上少見，見時可使樹木拔起或建筑物損壞較重89-10248-5524.5-28.41111.516.0汽船遇之極危險陸上很少見，有則必有重大損毀103-11756-6328.5-32.61214海浪滔天陸上絕少見，摧毀力極大118-13364-7132.7-36.913134-14972-8037.0-41.414150-16681-8941.5-46.115167-18390-9946.2-50.916184-201100-10851.0-56.017202-220109-11856.1-61.2注：13-17級風(fēng)力是當(dāng)風(fēng)速可以用儀器測定時使用。69精選課件大氣受下墊面的動力和熱力作用，風(fēng)速沿鉛直方向有明顯的變化，在大氣邊界層或近地層中尤其如此。風(fēng)速廓線受地形、層結(jié)穩(wěn)定度、大型天氣形勢的影響，在鉛直方向呈不同的分布規(guī)律。如在平坦地表、中性層結(jié)、近地層風(fēng)速隨高度分布為“對數(shù)律”：

（1）

式中為平均速度，z為離地面高度；u*為摩擦速度，K為卡門常數(shù),Z0為粗糙度。2.2.2平均風(fēng)速隨高度變化

70精選課件在近地層穩(wěn)定層結(jié)時，有“對數(shù)-線性律”：

（2）

式中L為莫寧一奧布霍夫長度，a1為根據(jù)實測資料確定的常數(shù)。一般情況下，近地層風(fēng)速廓線可用冪次律：

式中為z1高度的平均風(fēng)速，指數(shù)n隨層結(jié)穩(wěn)定度而變化，中性層結(jié)n=1/7不穩(wěn)定層結(jié)n較小，穩(wěn)定層結(jié)n較大。風(fēng)剪切71精選課件在風(fēng)能評估中，使用得最廣泛的是指數(shù)律公式，公式中n稱作粗糙指數(shù)，主要與地面粗糙度有關(guān)（同時還與大氣層結(jié)狀況等有關(guān)）。在沒有作專門的風(fēng)的梯度觀測情況下，我國一些標(biāo)準(zhǔn)中將地面粗糙度分成四類：

A類近海海面、海島、海岸、大湖湖岸及沙漠地區(qū)

B類田野、鄉(xiāng)村及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)及城郊

C類有密集建筑群的城市市區(qū)

D類有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)

對于大風(fēng)情況（一般超過10m/s時）其n分別取0.12,0.16,0.22和0.3。n取值72精選課件2.2.3平均風(fēng)速隨時間變化

1）日變化風(fēng)在一日內(nèi)有規(guī)律的周期變化。該變化體現(xiàn)了由于日夜更替所引起的周期性變化，而不包括因天氣形勢變化所引起的非周期變化。典型的風(fēng)速日變化是白天隨太陽的升高而風(fēng)速增大，夜間輻射冷卻導(dǎo)致風(fēng)速減小。

2）月變化：一般指一年時段中以月為單位的逐月風(fēng)速的周期變化。

3）季變化：一年中以季為單位的風(fēng)速的季節(jié)變化。

4）年變化：常指風(fēng)速在一年內(nèi)的變化。一年中最大與最小的差稱為年較差。

5）年際變化：風(fēng)速月或年平均在不同年之間的變化。從而了解它的變化大小，趨勢等。73精選課件威布爾分布（Weibull）2.2.4平均風(fēng)速分布

1）平均風(fēng)速的概率分布C幅度參數(shù)，k形狀參數(shù)風(fēng)速分布一般均為正偏態(tài)分布。

常用的概率分布曲線有：74精選課件瑞利分布（Regleigh）（k＝2時）2.2.4平均風(fēng)速分布1）平均風(fēng)速的概率分布75精選課件威布爾（Weibull）概率分布曲線76精選課件2.2.5平均風(fēng)向

1）風(fēng)的玫瑰圖

它是根據(jù)地面風(fēng)的觀測結(jié)果，表示不同風(fēng)向相對頻率的星形圖解。在風(fēng)資源分析中，用得最多的風(fēng)向玫瑰圖，有時也用這種圖表示不同方向的風(fēng)速和風(fēng)能的多少。

2）風(fēng)向的變化

行星邊界層內(nèi)，由于地面摩擦粘滯力的影響，風(fēng)向由下至上向右偏轉(zhuǎn)，直至自由大氣與地轉(zhuǎn)風(fēng)平行。在以u、v為坐標(biāo)軸的圖上，不同高度上風(fēng)速矢量端點的連線呈螺旋狀。

但在近地層（100米以下），平均風(fēng)向可近似認(rèn)為不隨高度改變。77精選課件風(fēng)向頻率任意點處的風(fēng)向時刻都在改變，但在一定時間內(nèi)多次測量，可以得到每一種風(fēng)向出現(xiàn)的頻率。風(fēng)向頻率的計算方法

——選擇觀測的時間段，如月、季、年；

——記錄每個風(fēng)向出現(xiàn)的次數(shù)ni，及總觀測次數(shù)n；

——某風(fēng)向的風(fēng)向頻率=ni/n×10078精選課件風(fēng)向風(fēng)向——來風(fēng)的方向。通常說的西北風(fēng)、南風(fēng)等即表明的就是風(fēng)向。陸地上的風(fēng)向一般用16個方位觀測。即以正北為零度，順時針每轉(zhuǎn)過22.5°為一個方位。風(fēng)向的方位圖圖示如下。79精選課件(圖)風(fēng)向風(fēng)速玫瑰圖風(fēng)向統(tǒng)計規(guī)律的表示方法80精選課件

NNNWNNENWNEWNWENE

WE

WSWESE

SWSESSWSSES

16個風(fēng)向的風(fēng)向玫瑰圖81精選課件風(fēng)速頻率對于風(fēng)力機的安置處，有兩個重要的描述風(fēng)資源的參數(shù)：年平均風(fēng)速和風(fēng)速頻率。在計算風(fēng)率時，通常把風(fēng)速的間隔定為1m/s；風(fēng)速在某一時間段平均，如10分鐘；按風(fēng)速的大小，落到哪個區(qū)間，哪個區(qū)間的累加值加1。把個區(qū)間出現(xiàn)的次數(shù)除以總次數(shù)即得風(fēng)速頻率。82精選課件風(fēng)頻（%）

12111098765

4

321002468101214161820

風(fēng)速（m/s）風(fēng)速統(tǒng)計規(guī)律的表示方法83精選課件

20181614121086420

100020003000400050006000700080009000風(fēng)況曲線84精選課件根據(jù)風(fēng)況曲線通常可以看出：一年之中有多少時間低于起動風(fēng)速而無法起動？有多少小時可以達(dá)到額定出力？取多大的切出風(fēng)速較合適？

可見，風(fēng)頻特性和風(fēng)況曲線是開發(fā)風(fēng)能的重要原始資料和依據(jù)。85精選課件利用風(fēng)頻分布及功率曲線進(jìn)行發(fā)電量的估算86精選課件功率曲線87精選課件windspeedpowerfrequencyhouroutput103.78%331.50609280207.14%625.73252230309.73%852.2990731041711.33%992.85903816878.654811.91%1043.27610150077.2568111.56%1012.5744682018.53716010.49%919.3164568147090.682578.98%786.6708703202174.493507.28%637.5679693223148.8104685.61%491.0318826229802.9115664.11%360.2242114203886.9126472.88%252.1603474163147.7136971.93%168.6549321117552.5147451.23%107.891861780379.44157720.75%66.0696002651005.73167680.44%38.7547539129763.65177640.25%21.7867933716645.11187490.13%11.7435968795.95319年標(biāo)準(zhǔn)運行小時2163.158年發(fā)電量162236888精選課件圖

脈動風(fēng)分布規(guī)律2.3脈動風(fēng)特性89精選課件2.3脈動風(fēng)特性2.3.1脈動風(fēng)速

椐2.1.2，在近地層風(fēng)具有明顯的陣性，可認(rèn)為近地層風(fēng)速是由一個平均分量和脈動分量組成，即：

即脈動風(fēng)速90精選課件2.3.2湍流強度

在近地層中，氣流具有明顯的湍流特征。湍流是一種不規(guī)則隨機流動。其速度有快速的大幅度起伏，并隨時間、空間位置而變。

定義一個時段的脈動風(fēng)速相對該時段的平均風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差與該平均風(fēng)速的比值。即：

，稱為湍流強度，它是度量相對于風(fēng)速平均值而起伏的湍流量的大小。91精選課件湍流強度均方差湍流強度92精選課件不同設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的湍流強度93精選課件風(fēng)影（WindShade）Porosity

=0%

=30%

=50%

=70%94精選課件風(fēng)場中風(fēng)機排布正對主風(fēng)向：間距3－5倍的風(fēng)輪直徑，行距5－9倍的直徑95精選課件2.3.3功率譜密度

脈動風(fēng)速大體服從正態(tài)分布規(guī)律。

脈動速度的平方具有脈動功能的物理意義。

風(fēng)功率譜就是風(fēng)速脈動振幅的平方隨頻率變化的圖形。對于變量x(t)，功率譜常表示為：

為x(t)的頻譜，功率譜又稱為功率譜密度或能譜密度。

利用功率譜分析變量中各種振動分量的振幅大小的方法稱為功率譜分析。2.3脈動風(fēng)特性2.3.3功率譜密度96精選課件圖10近地面處水平風(fēng)速譜2.3脈動風(fēng)特性2.3.3功率譜密度97精選課件該圖為近地面處的水平風(fēng)速譜，該圖譜明顯地被劃分為兩個區(qū)段：（1）高頻區(qū)段，它主要是由脈動風(fēng)所形成，也稱陣風(fēng)區(qū)，其峰值周期約為1-2分鐘。（2）低頻區(qū)段：它是受大尺度氣候系統(tǒng)所控制，其峰值周期約為12小時和4天，也稱大尺度氣候區(qū)。2.3.3功率譜密度98精選課件2.3.4陣風(fēng)因子

在工程設(shè)計中，根據(jù)平均風(fēng)速估算陣風(fēng)最大風(fēng)速的參數(shù)。定義為某一選定時段I中的平均風(fēng)速與另一選定時段J（J≥I）中的平均風(fēng)速（J）之比，

即

通常取I=2秒，J=1分鐘或2分鐘等等。陣風(fēng)因子隨大氣穩(wěn)定度、高度、平均風(fēng)速、下墊面狀況以及平均時段I、J的不同而異。2.3脈動風(fēng)特性99精選課件風(fēng)能與風(fēng)能密度風(fēng)能——風(fēng)的動能。計算一年中風(fēng)能的大小，要考慮風(fēng)速的分布情況，而不能簡單使用年平均風(fēng)速。年有效風(fēng)能——起動風(fēng)速到切出風(fēng)速之間的風(fēng)能。有效風(fēng)能密度——年有效風(fēng)能除以年有效風(fēng)速的持續(xù)時間。100精選課件3.1.1風(fēng)能公式

單位：瓦

式中ρ為空氣密度，單位kg/m3

V為風(fēng)速，單位m/s

F是氣流通過的面積，m2

評價一地風(fēng)能資源潛力，常用風(fēng)功率密度：

單位：瓦/米23、風(fēng)能資源3.1風(fēng)能資源的計算101精選課件風(fēng)機（風(fēng)輪）吸收的風(fēng)能Cp

吸收效率ρ

空氣密度，標(biāo)準(zhǔn)密度：1.225kg/m3V風(fēng)速A風(fēng)輪面積，pD2/4P=(1/2)ρV3ACp

102精選課件風(fēng)特性（習(xí)性)總結(jié)風(fēng)是個三維的（脈動）矢量（風(fēng)速、風(fēng)向（、湍流））風(fēng)在空間分布上的切變特性風(fēng)在整數(shù)時間序列(Integraltimescale/lengthscale)上的統(tǒng)計特性

長期的統(tǒng)計

年平均風(fēng)速、年風(fēng)向玫瑰圖

風(fēng)頻分布（年）(Windspeedprobabilitydensityfunctions)

功率譜密度(Powerspectraldensityfunction)

短期的統(tǒng)計（幾秒、幾分）湍流強度（turbulenceintensity）

自相關(guān)函數(shù)(autocorrelation)物理特性：可壓縮流體，低速時假設(shè)為不可壓縮

風(fēng)的密度（越冷越重，越高越輕，越濕越輕）風(fēng)能量特性－正比風(fēng)速的三次方、風(fēng)輪直徑的平方103精選課件風(fēng)區(qū)分類（用于指導(dǎo)風(fēng)機設(shè)計和應(yīng)用）IEC標(biāo)準(zhǔn)

Windturbineclass

I

II

III

S

Vref(m/s)5042.537.5

Valuesspecifiedbythedesigner

A

Iref(-)

0,16

B

Iref(-)

0,14

C

Iref(-)

0,12

104精選課件風(fēng)區(qū)分類GL標(biāo)準(zhǔn)105精選課件空氣動力學(xué)假設(shè)風(fēng)為均勻?qū)恿?/p>

假設(shè)空氣不可壓縮

動量葉素理論V1

V2A1

AA2v流量106精選課件風(fēng)輪尾流不旋轉(zhuǎn)時的動量理論質(zhì)量守恒：ρA1V1=ρAV=ρA2V2動量定理：T=ρAV(V1－V2)能量方程：P=1/2

ρAV3cp=1/2mV12－1/2mV22a=1/3時，風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到貝茲極限Cp=0.593V軸向=aV1,a

軸向誘導(dǎo)因子CT

推力系數(shù)107精選課件風(fēng)能的利用率108精選課件當(dāng)考慮風(fēng)輪尾流旋轉(zhuǎn)時，風(fēng)輪軸功率有損失，風(fēng)輪功率系數(shù)要減小。風(fēng)輪尾流旋轉(zhuǎn)時的動量理論V1

V2

VA1

AA2109精選課件葉素理論葉素理論是將風(fēng)輪葉片沿展向分成許多段（葉素），假設(shè)在每個葉素上的流動相互之間沒有干擾，即葉素可看成是二維翼型，這時，將作用在每個葉素上的力和力矩沿展向積分，就可求得作用在風(fēng)輪上的力和力矩。110精選課件翼型幾何參數(shù)風(fēng)力機翼型t相對厚度：111精選課件葉素理論安裝角攻角112精選課件葉素理論

阻力升力113精選課件翼型升力特性迎角α/（°）升力系數(shù)CL風(fēng)力機翼型114精選課件翼型阻力特性0.00.51.01.5-50-100-150-200050100150200迎角α/（°）阻力系數(shù)CD風(fēng)力機翼型115精選課件升阻比－極曲線在風(fēng)力機的設(shè)計中往往更關(guān)心升力h和阻力的比值——升阻比L/D以及最佳升阻比。通過極曲線（又稱艾菲爾曲線）來討論。

CLmax

CL

CT

有利

CDmin

CDCDmin

0CD0116精選課件說明：——極曲線上的每一點對應(yīng)一種升阻比及相應(yīng)的攻角狀態(tài)，如

0、

CDmin、

CT等?！獮榱说玫阶罴焉璞龋蓮脑c作極曲線的切線，由于此時的夾角最大，故切點處的升阻比CL/CD=tg

最大，對應(yīng)的攻角為最有利攻角

有利。117精選課件壓力中心壓力中心：氣動合力的作用點，為合力作用線與翼弦的交點。

——作用在壓力中心上的只有升力與阻力，而無力矩。

——壓力中心的位置通常用距前緣的距離表示，約在0.25倍弦長處。118精選課件翼型優(yōu)化119精選課件升阻比舉例Table1:L/DofSubsonicJetAircraftAircraft(year)(L/D)maxBoeingB707-320波音19.4DouglasDC-8麥道17.9AirbusA320空中客車17.Boeing767-20019.Boeing747-10017.7DouglasDC-1017.7LockeedTristarL1011洛克西德17.0DouglasDC-9(1966)16.5BoeingB727-20016.4Fokker50(1966)16DouglasDC-3(1935)14.7FordTrimotor(1927)12.WrightFlyerI(1903)8.3120精選課件升阻比舉例Table3:L/DofSomeBirdsBirdL/DHouseSparrow(passerdomesticus)麻雀4.HerringGull(larusargentatus)海鷗10.CommonTern(sternahirundo)燕歐12.Albatross(diomedaexulans)信天翁20.121精選課件雷諾數(shù)對翼型氣動力特性的影響關(guān)于雷諾數(shù)——雷諾數(shù)的物理意義：慣性力與粘性力之比?！獙恿髋c紊流：兩種性質(zhì)不同的流動狀態(tài)。雷諾數(shù)是用來界定兩種狀態(tài)的判據(jù)?！字Z數(shù)的表達(dá)形式：Re=VC/

——臨界雷諾數(shù)Recr：Re<Recr層流

Re>Recr紊流雷諾數(shù)的影響考慮對NACA翼型升力曲線和阻力曲線的影響。隨著雷諾數(shù)的增加：——升力曲線斜率，最大升力系數(shù)與失速攻角均增加；——最小阻力系數(shù)減?。弧璞仍黾?。122精選課件葉片外形123精選課件葉片外形葉尖剎車位置葉尖正常運行位置124精選課件風(fēng)輪幾何參數(shù)葉片數(shù)直徑輪轂中心高掃掠面積錐角