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1、第三講 風(fēng)力發(fā)電簡(jiǎn)單原理栗文義 一、風(fēng)的起源及特性1、風(fēng)的起源 風(fēng)是最熟悉的自然現(xiàn)象。要了解風(fēng)的形成必須了解包圍著地球的大氣的運(yùn)動(dòng)。大氣的流動(dòng)也像水流一樣是從壓力高處往壓力低處流。太陽(yáng)能正是形成大氣壓差的原因。 由于地球自轉(zhuǎn)軸與圍繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)軸之間存在665的夾角，因此對(duì)地球上不同地點(diǎn)，太陽(yáng)照射角度是不同的，而且對(duì)同一地點(diǎn)一年365天中這個(gè)角度也是變化的。地球上某處所接受的太陽(yáng)輻射能正是與該地點(diǎn)太陽(yáng)照射角的正弦成正比。地球南北極接受太陽(yáng)輻射能少，所以溫度低，氣壓高；而赤道接受熱量多，溫度高，氣壓低。另外地球又繞自轉(zhuǎn)軸每24h旋轉(zhuǎn)一周，溫度、氣壓晝夜變化。 這樣由于地球表面各處的溫度、氣壓變化，

2、氣流就會(huì)從壓力高處向壓力低處運(yùn)動(dòng)，以便把熱量從熱帶向兩極輸送，因此形成不同方向的風(fēng)，并伴隨不同的氣象變化。大洋中的海流也起著類(lèi)似的作用。從全球尺度來(lái)看，大氣中的氣流是巨大的能量傳輸介質(zhì)，地球的自轉(zhuǎn)以進(jìn)一步促進(jìn)了大氣中半永久性的行星尺度環(huán)流的形成。下圖表示了地球上風(fēng)的運(yùn)動(dòng)方向。 風(fēng)的變化 風(fēng)向和風(fēng)速是兩個(gè)描述風(fēng)的重要參數(shù)。風(fēng)向是指風(fēng)吹來(lái)的方向，如果風(fēng)是從北方吹來(lái)就稱(chēng)為北風(fēng)。風(fēng)速是表示風(fēng)移動(dòng)的速度，即單位時(shí)間內(nèi)空氣流動(dòng)所經(jīng)過(guò)的距離。顯然風(fēng)向和風(fēng)速這兩個(gè)參數(shù)都是在變化的。 （1）風(fēng)隨時(shí)間的變化 風(fēng)隨時(shí)間的變化，包括每日的變化和季節(jié)的變化。通常一天之中風(fēng)的強(qiáng)弱在某種程度上可以看作是周期性的。如地面上夜

3、間風(fēng)弱，白天風(fēng)強(qiáng)；高空中正相反是夜里風(fēng)強(qiáng)，白天風(fēng)弱。這個(gè)逆轉(zhuǎn)的臨界高度約為100150m。下圖是在日本川口國(guó)際廣播電臺(tái)的無(wú)線電鐵塔上測(cè)得的不同高度處，一天內(nèi)的風(fēng)速變化。 由于季節(jié)的變化，太陽(yáng)和地球的相對(duì)位置也發(fā)生變化，使地球上存在季節(jié)性的溫差。因此風(fēng)向和風(fēng)的強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生季節(jié)性變化。 我國(guó)大部分地區(qū)風(fēng)的季節(jié)性變化情況是：春季最強(qiáng)，冬季次 之，夏季最弱。當(dāng)然也有部分地區(qū)例外，如沿海溫州地區(qū)，夏季季風(fēng)最強(qiáng)，春季季風(fēng)最弱。 （2）風(fēng)隨高度的變化 從空氣運(yùn)動(dòng)的角度，通常將不同高度的大氣層分為三個(gè)區(qū)域（見(jiàn)下圖）。離地面2m以?xún)?nèi)的區(qū)域稱(chēng)為底層；2100m的區(qū)域稱(chēng)為下部摩擦層，二者總稱(chēng)為地面境界層；從1001

4、000m的區(qū)段稱(chēng)為上部摩擦層，以上三區(qū)域總稱(chēng)為摩擦層。摩擦層之上是自由大氣。 大氣層的構(gòu)成圖 地面境界層內(nèi)空氣流動(dòng)受渦流、黏性和地面植物及建筑物等的影響，風(fēng)向基本不變，但越往高處風(fēng)速越大。各種不同地面情況下，如城市、鄉(xiāng)村和海邊平地，其風(fēng)速隨高度的變化如下圖所示。 不同地面上風(fēng)速和高度的關(guān)系圖 關(guān)于風(fēng)速隨高度而變化的經(jīng)驗(yàn)公式很多，通常采用所謂指數(shù)公式，即：式中 v距地面高度為h處的風(fēng)速，ms； v1高度為hi處的風(fēng)速，ms； n經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，它取決于大氣穩(wěn)定度和地面粗糙度，其值約為1/21/8。 （3）風(fēng)的隨機(jī)性變化 如果用自動(dòng)記錄儀來(lái)記錄風(fēng)速，就會(huì)發(fā)現(xiàn)風(fēng)速是不斷變化的，一般所說(shuō)的風(fēng)速是指變動(dòng)部位的

5、平均風(fēng)速。通常自然風(fēng)是一種平均風(fēng)速與瞬間激烈變動(dòng)的紊流相重合的風(fēng)。紊亂氣流所產(chǎn)生的瞬時(shí)高峰風(fēng)速也叫陣風(fēng)風(fēng)速。下圖表示了陣風(fēng)和平均風(fēng)速的關(guān)系。 陣風(fēng)和平均風(fēng)圖速 a一陣風(fēng)振幅；b一陣風(fēng)的形成時(shí)間； C一陣風(fēng)的最大偏移量；d一陣風(fēng)消失時(shí)間 風(fēng)況曲線 風(fēng)況曲線是風(fēng)能利用的基礎(chǔ)資料。它是將全年（8760h）風(fēng) 速在v（ms）以上的時(shí)間作為橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)則為風(fēng)速v（見(jiàn)下圖），從風(fēng)況曲線即可知道該地區(qū)某種風(fēng)速以上有多少小時(shí)，從而制定相應(yīng)的風(fēng)能利用計(jì)劃。 日本石廊崎等地區(qū)的風(fēng)況曲線圖 風(fēng)能特點(diǎn) 風(fēng)能與其它能源相比，既有其明顯的優(yōu)點(diǎn)，又有其突出的局限性。風(fēng)能具有四大優(yōu)點(diǎn)和三大弱點(diǎn)。四大優(yōu)點(diǎn)是： 蘊(yùn)量巨大； 可

6、以再生； 分布廣泛； 沒(méi)有污染。 三大弱點(diǎn)是：1、密度低。 這是風(fēng)能的一個(gè)重要缺陷。由于風(fēng)能來(lái)源于空氣的流動(dòng)，而空氣的密度是很小的，因此風(fēng)力的能量密度也很小，只有水力的1816。在各種能源中，風(fēng)能的含能量是極低的，給其利用帶來(lái)一定的困難。 2、不穩(wěn)定。 由于氣流瞬息萬(wàn)變，因此風(fēng)的脈動(dòng)、日變化、季變化以至年際的變化都十分明顯，波動(dòng)很大，極不穩(wěn)定。3、地區(qū)差異大。 由于地形的影響，風(fēng)力的地區(qū)差異非常明顯。一個(gè)鄰近的區(qū)域，有利地形下的風(fēng)力，往往是不利地形下的幾倍甚至幾十倍。 二、風(fēng)力機(jī)簡(jiǎn)介 風(fēng)力機(jī)又稱(chēng)風(fēng)車(chē)，是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能、電能或熱能的能量轉(zhuǎn)換裝置。風(fēng)力機(jī)的類(lèi)型很多，通常將其分為水平軸風(fēng)力機(jī)

7、，垂直軸風(fēng)力機(jī)和特殊風(fēng)力機(jī)三大類(lèi)。但應(yīng)用最廣的還是前兩 種類(lèi)型的風(fēng)力機(jī)。 1、水平軸風(fēng)力機(jī) 水平軸風(fēng)力機(jī)是目前國(guó)內(nèi)外最常見(jiàn)的一種風(fēng)力機(jī)。下圖表示了目前應(yīng)用最廣的各種不同迎風(fēng)式水平軸風(fēng)力機(jī)的示意圖。 各種不同迎風(fēng)式水平軸風(fēng)力機(jī)示意圖 a）單葉片；（b）雙葉片；（c）三葉片；（d）美國(guó)農(nóng)場(chǎng)式多葉片風(fēng)車(chē)；（g）車(chē)輪式多葉片風(fēng)車(chē)；（f）迎風(fēng)式；（g）背風(fēng)式；（h）空心壓差式；（i）川帆翼式；（j）多轉(zhuǎn)子；(k）反轉(zhuǎn)葉片式 2、垂直軸風(fēng)力機(jī) 垂直軸風(fēng)力機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)與風(fēng)向無(wú)關(guān)，因此不需要像水平軸風(fēng)力機(jī)那樣采用迎風(fēng)裝置，但其輸出功率一般比水平軸風(fēng)力機(jī)小。下圖為各種不同的垂直軸風(fēng)力機(jī)的示意圖。風(fēng)力機(jī)的效率主要

8、取決于風(fēng)輪效率、傳動(dòng)效率、貯能效率。 發(fā)電機(jī)和其他工作機(jī)具的效率。 圖1 各種不同垂直軸風(fēng)力機(jī)示意圖 （a）堅(jiān)軸風(fēng)機(jī)（阻力型）；（b）堅(jiān)軸風(fēng)機(jī)（升力型） 1S型；2-多葉片型；3-開(kāi)型式S型;4-平板式； 5-中型達(dá)里厄；6-型達(dá)里厄；7-旋翼型 三、何謂風(fēng)力發(fā)電 人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的歷史與能源的開(kāi)發(fā)和利用水平密切相關(guān)，每一次新型能源的開(kāi)發(fā)都使人類(lèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生一次飛躍。在我們進(jìn)入21世紀(jì)的今天，世界能源結(jié)構(gòu)也正在孕育著重大的轉(zhuǎn)變，即由礦物能源系統(tǒng)向以可再生能源為基礎(chǔ)的可持續(xù)能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。所謂可再生能源就是取之不盡、用之不竭、與人類(lèi)共存的能源。它包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽艿?。在這眾多

9、的可再生能源中，目前發(fā)展最快、商業(yè)化最廣泛、經(jīng)濟(jì)上最適用的，當(dāng)數(shù)風(fēng)力發(fā)電。 何謂風(fēng)力發(fā)電1 原理 風(fēng)力發(fā)電的原理說(shuō)起來(lái)非常簡(jiǎn)單，最簡(jiǎn)單的風(fēng)力發(fā)電機(jī)可由葉輪和發(fā)電機(jī)兩部分構(gòu)成，如下圖所示?？諝饬鲃?dòng)的動(dòng)能作用在葉輪上，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能, 從而推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)。如果將葉輪的轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連，就會(huì)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出電來(lái)。孩童玩的紙質(zhì)風(fēng)車(chē)就是風(fēng)力機(jī)的雛形，在它的軸上裝個(gè)極微型的發(fā)電機(jī)就可發(fā)電。 風(fēng)力發(fā)電的原理示意 風(fēng)力發(fā)電的原理這么簡(jiǎn)單，為什么僅到20世紀(jì)的中后期才獲得應(yīng)用呢？第一，常規(guī)發(fā)電還能滿(mǎn)足需要，社會(huì)生產(chǎn)力水平不夠高，還無(wú)法顧及降低環(huán)境污染和解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的供電問(wèn)題；第二，能夠并網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)

10、計(jì)與制造，只有現(xiàn)代高技術(shù)的出現(xiàn)才有可能。20世紀(jì)初期是造不出現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)的。那么，現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)是什么樣呢？下面我們就介紹一下現(xiàn)代風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與技術(shù)特點(diǎn)。 2 現(xiàn)代風(fēng)機(jī) 上圖所示的風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電時(shí)有時(shí)無(wú)，電壓和頻率不穩(wěn)定，是沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的。一陣狂風(fēng)吹來(lái)，風(fēng)輪越轉(zhuǎn)越快，系統(tǒng)就會(huì)被吹跨。為了解決這些問(wèn)題，現(xiàn)代風(fēng)機(jī)增加了齒輪箱、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、剎車(chē)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等，現(xiàn)代風(fēng)機(jī)的示意如下圖所示。 現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)示意圖 齒輪箱可以將很低的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速（600千瓦的風(fēng)機(jī)通常為27轉(zhuǎn)/分）變?yōu)楹芨叩陌l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速（通常為1500轉(zhuǎn)/分）。同時(shí)也使得發(fā)電機(jī)易于控制，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的頻率和電壓輸出。偏航系統(tǒng)可以

11、使風(fēng)輪掃掠面積總是垂直于主風(fēng)向。要知道，600千瓦的風(fēng)機(jī)機(jī)艙總重20多噸，使這樣一個(gè)系統(tǒng)隨時(shí)對(duì)準(zhǔn)主風(fēng)向也有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)難度。 風(fēng)機(jī)是有許多轉(zhuǎn)動(dòng)部件的。業(yè)已說(shuō)明，機(jī)艙在水平面旋轉(zhuǎn)，隨時(shí)跟風(fēng)。風(fēng)輪沿水平軸旋轉(zhuǎn)，以便產(chǎn)生動(dòng)力。在變槳矩風(fēng)機(jī)，組成風(fēng)輪的葉片要圍繞根部的中心軸旋轉(zhuǎn)，以便適應(yīng)不同的風(fēng)況。在停機(jī)時(shí)，葉片尖部要甩出，以便形成阻尼。液壓系統(tǒng)就是用于調(diào)節(jié)葉片槳矩、阻尼、停機(jī)、剎車(chē)等狀態(tài)下使用。 要知道，通常所說(shuō)的12級(jí)颶風(fēng)，其風(fēng)速范圍也僅為32.7-36.9米/秒。風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)，要在這樣惡劣的條件下，根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向?qū)ο到y(tǒng)加以控制，在穩(wěn)定的電壓和頻率下運(yùn)行，自動(dòng)地并網(wǎng)和脫網(wǎng)。并監(jiān)視齒輪箱、發(fā)電機(jī)的運(yùn)

12、行溫度，液壓系統(tǒng)的油壓，對(duì)出現(xiàn)的任何異常進(jìn)行報(bào)警，必要時(shí)自動(dòng)停機(jī)。 3、風(fēng)力發(fā)電場(chǎng) 現(xiàn)代大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，單臺(tái)容量一般為600-1000千瓦。目前國(guó)際上研制的超大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量也只為6MW。對(duì)于一個(gè)大型發(fā)電場(chǎng)來(lái)說(shuō)，其容量還是很小的。因此，我們一般將十幾臺(tái)或幾十臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)。這樣既形成一個(gè)強(qiáng)大的供電體系，也便于管理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。同時(shí)，也降低了安裝、運(yùn)行和維護(hù)的成本。下圖為山東長(zhǎng)島風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)一角。 山東長(zhǎng)島風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)一角 控制系統(tǒng)是現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)的神經(jīng)中樞?，F(xiàn)代風(fēng)機(jī)是無(wú)人值守的。就600千瓦風(fēng)機(jī)而言，一般在4米/秒左右的風(fēng)速自動(dòng)啟動(dòng)，在14米/秒左右發(fā)出額定功率。然后，隨著風(fēng)速的增加，一直控制在額定功率附近發(fā)電，直到風(fēng)速達(dá)到25米/秒時(shí)自動(dòng)停機(jī)。現(xiàn)代風(fēng)機(jī)的存活風(fēng)速為60-70米/秒，也就是說(shuō)在這么大的風(fēng)速下風(fēng)機(jī)也不會(huì)被吹壞。