风力发电简单原理

第三讲 风力发电简单原理栗文义 一、风的起源及特性1、风的起源 风是最熟悉的自然现象。要了解风的形成必须了解包围着地球的大气的运动。大气的流动也像水流一样是从压力高处往压力低处流。太阳能正是形成大气压差的原因。 由于地球自转轴与围绕太阳的公转轴之间存在665的夹角，因此对地球上不同地点，太阳照射角度是不同的，而且对同一地点一年365天中这个角度也是变化的。地球上某处所接受的太阳辐射能正是与该地点太阳照射角的正弦成正比。地球南北极接受太阳辐射能少，所以温度低，气压高；而赤道接受热量多，温度高，气压低。另外地球又绕自转轴每24h旋转一周，温度、气压昼夜变化。 这样由于地球表面各处的温度、气压变化，气流就会从压力高处向压力低处运动，以便把热量从热带向两极输送，因此形成不同方向的风，并伴随不同的气象变化。大洋中的海流也起着类似的作用。从全球尺度来看，大气中的气流是巨大的能量传输介质，地球的自转以进一步促进了大气中半永久性的行星尺度环流的形成。下图表示了地球上风的运动方向。 风的变化 风向和风速是两个描述风的重要参数。风向是指风吹来的方向，如果风是从北方吹来就称为北风。风速是表示风移动的速度，即单位时间内空气流动所经过的距离。显然风向和风速这两个参数都是在变化的。 （1）风随时间的变化 风随时间的变化，包括每日的变化和季节的变化。通常一天之中风的强弱在某种程度上可以看作是周期性的。如地面上夜间风弱，白天风强；高空中正相反是夜里风强，白天风弱。这个逆转的临界高度约为100150m。下图是在日本川口国际广播电台的无线电铁塔上测得的不同高度处，一天内的风速变化。 由于季节的变化，太阳和地球的相对位置也发生变化，使地球上存在季节性的温差。因此风向和风的强度也会发生季节性变化。 我国大部分地区风的季节性变化情况是：春季最强，冬季次 之，夏季最弱。当然也有部分地区例外，如沿海温州地区，夏季季风最强，春季季风最弱。 （2）风随高度的变化 从空气运动的角度，通常将不同高度的大气层分为三个区域（见下图）。离地面2m以内的区域称为底层；2100m的区域称为下部摩擦层，二者总称为地面境界层；从1001000m的区段称为上部摩擦层，以上三区域总称为摩擦层。摩擦层之上是自由大气。 大气层的构成图 地面境界层内空气流动受涡流、黏性和地面植物及建筑物等的影响，风向基本不变，但越往高处风速越大。各种不同地面情况下，如城市、乡村和海边平地，其风速随高度的变化如下图所示。 不同地面上风速和高度的关系图 关于风速随高度而变化的经验公式很多，通常采用所谓指数公式，即：式中 v距地面高度为h处的风速，ms； v1高度为hi处的风速，ms； n经验指数，它取决于大气稳定度和地面粗糙度，其值约为1/21/8。 （3）风的随机性变化 如果用自动记录仪来记录风速，就会发现风速是不断变化的，一般所说的风速是指变动部位的平均风速。通常自然风是一种平均风速与瞬间激烈变动的紊流相重合的风。紊乱气流所产生的瞬时高峰风速也叫阵风风速。下图表示了阵风和平均风速的关系。 阵风和平均风图速 a一阵风振幅；b一阵风的形成时间； C一阵风的最大偏移量；d一阵风消失时间 风况曲线 风况曲线是风能利用的基础资料。它是将全年（8760h）风 速在v（ms）以上的时间作为横坐标，纵坐标则为风速v（见下图），从风况曲线即可知道该地区某种风速以上有多少小时，从而制定相应的风能利用计划。 日本石廊崎等地区的风况曲线图 风能特点 风能与其它能源相比，既有其明显的优点，又有其突出的局限性。风能具有四大优点和三大弱点。四大优点是： 蕴量巨大； 可以再生； 分布广泛； 没有污染。 三大弱点是：1、密度低。 这是风能的一个重要缺陷。由于风能来源于空气的流动，而空气的密度是很小的，因此风力的能量密度也很小，只有水力的1816。在各种能源中，风能的含能量是极低的，给其利用带来一定的困难。 2、不稳定。 由于气流瞬息万变，因此风的脉动、日变化、季变化以至年际的变化都十分明显，波动很大，极不稳定。3、地区差异大。 由于地形的影响，风力的地区差异非常明显。一个邻近的区域，有利地形下的风力，往往是不利地形下的几倍甚至几十倍。 二、风力机简介 风力机又称风车，是一种将风能转换成机械能、电能或热能的能量转换装置。风力机的类型很多，通常将其分为水平轴风力机，垂直轴风力机和特殊风力机三大类。但应用最广的还是前两 种类型的风力机。 1、水平轴风力机 水平轴风力机是目前国内外最常见的一种风力机。下图表示了目前应用最广的各种不同迎风式水平轴风力机的示意图。 各种不同迎风式水平轴风力机示意图 a）单叶片；（b）双叶片；（c）三叶片；（d）美国农场式多叶片风车；（g）车轮式多叶片风车；（f）迎风式；（g）背风式；（h）空心压差式；（i）川帆翼式；（j）多转子；(k）反转叶片式 2、垂直轴风力机 垂直轴风力机叶轮的转动与风向无关，因此不需要像水平轴风力机那样采用迎风装置，但其输出功率一般比水平轴风力机小。下图为各种不同的垂直轴风力机的示意图。风力机的效率主要取决于风轮效率、传动效率、贮能效率。 发电机和其他工作机具的效率。 图1 各种不同垂直轴风力机示意图 （a）坚轴风机（阻力型）；（b）坚轴风机（升力型） 1S型；2-多叶片型；3-开型式S型;4-平板式； 5-中型达里厄；6-型达里厄；7-旋翼型 三、何谓风力发电 人类社会发展的历史与能源的开发和利用水平密切相关，每一次新型能源的开发都使人类经济的发展产生一次飞跃。在我们进入21世纪的今天，世界能源结构也正在孕育着重大的转变，即由矿物能源系统向以可再生能源为基础的可持续能源系统转变。所谓可再生能源就是取之不尽、用之不竭、与人类共存的能源。它包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能等。在这众多的可再生能源中，目前发展最快、商业化最广泛、经济上最适用的，当数风力发电。 何谓风力发电1 原理 风力发电的原理说起来非常简单，最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成，如下图所示。空气流动的动能作用在叶轮上，将动能转换成机械能, 从而推动叶轮旋转。如果将叶轮的转轴与发电机的转轴相连，就会带动发电机发出电来。孩童玩的纸质风车就是风力机的雏形，在它的轴上装个极微型的发电机就可发电。 风力发电的原理示意 风力发电的原理这么简单，为什么仅到20世纪的中后期才获得应用呢？第一，常规发电还能满足需要，社会生产力水平不够高，还无法顾及降低环境污染和解决偏远地区的供电问题；第二，能够并网的风力发电机的设计与制造，只有现代高技术的出现才有可能。20世纪初期是造不出现代风力发电机的。那么，现代风力发电机是什么样呢？下面我们就介绍一下现代风机的结构与技术特点。 2 现代风机 上图所示的风力发电机发出的电时有时无，电压和频率不稳定，是没有实际应用价值的。一阵狂风吹来，风轮越转越快，系统就会被吹跨。为了解决这些问题，现代风机增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等，现代风机的示意如下图所示。 现代风力发电机系统示意图 齿轮箱可以将很低的风轮转速（600千瓦的风机通常为27转/分）变为很高的发电机转速（通常为1500转/分）。同时也使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出。偏航系统可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向。要知道，600千瓦的风机机舱总重20多吨，使这样一个系统随时对准主风向也有相当的技术难度。 风机是有许多转动部件的。业已说明，机舱在水平面旋转，随时跟风。风轮沿水平轴旋转，以便产生动力。在变桨矩风机，组成风轮的叶片要围绕根部的中心轴旋转，以便适应不同的风况。在停机时，叶片尖部要甩出，以便形成阻尼。液压系统就是用于调节叶片桨矩、阻尼、停机、刹车等状态下使用。 要知道，通常所说的12级飓风，其风速范围也仅为32.7-36.9米/秒。风机的控制系统，要在这样恶劣的条件下，根据风速、风向对系统加以控制，在稳定的电压和频率下运行，自动地并网和脱网。并监视齿轮箱、发电机的运行温度，液压系统的油压，对出现的任何异常进行报警，必要时自动停机。 3、风力发电场 现代大型风力发电机，单台容量一般为600-1000千瓦。目前国际上研制的超大型风力发电机单机容量也只为6MW。对于一个大型发电场来说，其容量还是很小的。因此，我们一般将十几台或几十台风力发电机组成一个风电场。这样既形成一个强大的供电体系，也便于管理，实现远程监控。同时，也降低了安装、运行和维护的成本。下图为山东长岛风力发电场一角。 山东长岛风力发电场一角 控制系统是现代风力发电机的神经中枢。现代风机是无人值守的。就600千瓦风机而言，一般在4米/秒左右的风速自动启动，在14米/秒左右发出额定功率。然后，随着风速的增加，一直控制在额定功率附近发电，直到风速达到25米/秒时自动停机。现代风机的存活风速为60-70米/秒，也就是说在这么大的风速下风机也不会被吹坏。