新能源与分布式发电技术03风能与风力发电.ppt
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1、新能源与分布式发电技术,第3讲 风能与风力发电,第3讲 风力发电,关注的问题 风是最常见的自然现象之一。风是怎样形成的? 人类何时开始懂得对风能的利用?又是如何利用的? 风力发电的原理是怎样的?风力发电的设备什么样? 风力发电能达到什么样的规模?发展状况如何?,教学目标 了解风资源情况和风能利用的发展历史, 掌握风力发电的基本原理和主要设备, 理解风力发电的重要意义和发展前景。,3.1 风能利用的历史,人类利用风能的历史,至少可以追溯到5000多年以前。,埃及可能是最先利用风能的国家。 趣闻:风能与金字塔(见教材) 2000多年以前,人类开始利用风的力量进行生产,例如靠风力带动简易装置来碾米磨
2、面、引水灌溉。 公元前几百年,亚洲的巴比伦人、波斯人也开始利用风能。 公元10世纪,伊斯兰人开始用风车提水。到11世纪,风车在中东地区已经获得广泛的应用。,3.1 风能利用的历史,12世纪,风车的概念和设计从中东传入欧洲。 荷兰人发明了水平转轴的塔形风车,并且很快风靡北欧。 唐吉诃德大战风车的故事听说过吧?(教材引例故事) 除了磨面、榨油、造纸、锯木等生产作业之外, 在比利时等地势较低国家还用风车来排水。,3.1 风能利用的历史,至少在3000年以前,我国就出现了帆船。 中国最辉煌的风帆时代是明代,郑和下西洋,庞大的风帆船(见教材)在那几次举世闻名的航行中功不可没。郑和的“准环球”旅行,比西方
3、的哥伦布和麦哲伦早了好几百年。,3.1 风能利用的历史,公元前数世纪我国人民就开始利用风力提水、灌溉、磨面、舂米等。 1300多年前宋代的一种垂直轴“走马灯式” ,一直沿用到新中国成立(见教材)。 中国沿海沿江地区的风力提水灌溉或制盐的做法,曾经非常盛行,仅在江苏沿海利用风力的设备就曾多达。 我国使用最广泛的是“斜杆式”风车,直到今天,沿海地区农田和盐场中仍有上千台之多。,3.2 风和风资源,3.2.1 风的形成,地球转动,地表的地形差异,以及云层遮挡和太阳辐射角度的差别,使地面受热不均。 不同地区的温差和空气中水蒸汽含量不同,形成不同的气压区。 空气从高气压区域向低气压区域的自然流动,称为大
4、气运动。 在气象学上,一般把垂直方向的大气运动称为气流,水平方向的大气运动就是风。,3.2.1 风的形成,按照形成原因,风有信风、海陆风和山谷风等。 (1)信风 赤道附近气温高,热气上升;两极气温低,冷气下降,相互填补空缺 ,冷空气在地面附近从两极流向赤道(高空反之)。地球自西向东转,北半球东北风,南半球东南风。 (2)海陆风 海洋热容量大。白天日照下陆地温度比海面高,热空气上升,海面冷空气在地表附近流向陆地,这就是海风。夜间,陆地比海洋冷却得快,形成流向海洋的陆风。 (3)山谷风 白天山坡朝阳面受热较多,空气上升;低凹处受热少,冷空气从山谷流向山坡,形成谷风。夜间,山坡降温幅度大,冷空气则沿
5、山坡向下流动,形成山风。,3.2.1 风的形成,一般,在晴朗而且昼夜温差较大的沿海地区,白天吹来海风,夜晚则有陆风吹向海上。 在山区,白天谷风从谷底向山上吹,晚上山风从山上向山下吹。 大陆与海洋的热容量差别,还会形成季节性的气压变化。以中国的华北地区为例,冬季内陆气温低,多形成高气压区,空气流向东南方向的海洋低气压区,所以在冬季多刮西北风。而夏季正好相反,我国大部分地区常刮东南风。 。,3.2.2 风的描述,(1)风向 就是风吹来的方向。例如,南风。 早在商代,就有对风向的定义和观测,见教材 (2)风速 就是单位时间内空气在水平方向上移动的距离。 通常指一段时间内的风速的算术平均值。 (3)风
6、能和风能密度 风中流动的空气所具有的能量,称为风能。 风能密度,就是单位面积上流过的风能。,3.2.3 世界风资源,有专家估计,地球上的风能,大约是目前全世界能源总消耗量的100倍,相当于万亿吨煤蕴藏的能量。 据世界气象组织估计,全球大气中蕴藏的总的风能功率约为1014 MW,其中可被开发利用的风能约有MW。 全球的风能折算为电能,相当于2.74万亿度,其中可利用的相当于亿度电。 地球1.07亿平方公里的陆地表面,平均风速高于5m/s(距地面10m高处)的面积约占27%。 据分析,其中只有4左右的面积有可能安装风力发电机。以目前的技术水平,每平方公里的风能发电量为330千瓦左右,平均每年发电量
7、的合理估计为万度左右。,3.2.4 我国风资源,研究表明,全国平均风能密度约为100W/m2,全国风能总储量约48亿兆瓦, 陆上和近海区域10米高度可开发风能资源储量约为10亿千瓦,其中有很好开发利用价值的陆上风资源大约有千瓦。,3.2.4 我国风资源,中国气象局风能太阳能资源评估中心,公布了 全国平均风速分布和有效风功率密度分布情况,参见教材图3.4和图3.5。,3.3 风力机的种类,各种类型的风力机,都至少包括叶片(有些称为桨叶)、轮毂、转轴、支架(有些称为塔架)等部分。其中由叶片和轮毂等构成的旋转部分又称为风轮。,按转轴与风向的关系,风力机大体上可分为两类: 水平轴风力机(风轮的旋转轴与
8、风向平行); 垂直轴风力机(风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向)。,3.3.1 水平轴风力机,(1)荷兰式风力机 12世纪初荷兰人发明,曾在欧洲(荷、比、西等国)广泛使用。这可能是出现最早的水平轴风力机。 荷兰风车有两种形式,详见教材。,3.3.1 水平轴风力机,(2)螺旋桨式风力机 螺旋桨式水平轴风力机目前技术最成熟、生产量最多。 其翼型与飞机的翼型类似,一般多为双叶片或三叶片,也有少量用单叶片或四叶片以上的。,3.3.1 水平轴风力机,(3)多翼式风力机 也叫多叶式风力机,一般装有20枚左右的叶片,是典型的低转速大扭矩风力机。,3.3.1 水平轴风力机,(4)离心甩出式风力机 是一种不直接利
9、用自然风的独特设计。 采用空心叶片。,结构比较复杂,通道内空气流动的 摩擦损失大,总体效率很低。,3.3.1 水平轴风力机,(5)透平式风力机 也叫涡轮式风力机,其结构形式燃气轮机和蒸汽轮机类似,由静叶片和动叶片组成。 这种风力机的叶片短,强度高,尤其适用于强风场合,例如南极和北极地区。,3.3.1 水平轴风力机,(5)压缩风能型风力机 是一种特殊设计的风力机,图见教材, 利用装在叶轮外面的集风器或扩散筒, 提高经过风轮的空气密度, 或者增加风轮两侧的气压差, 从而提高风能吸收的效果。 还有安装和成本上的问题需要解决。,3.3.2 垂直轴风力机,(1)萨布纽斯式(S式)风力机 芬兰工程师萨布纽
10、斯发明,我国简称为S式。 通常由两枚半圆筒形的叶片所构成,也有用34枚的。主要靠两侧叶片的阻力差驱动,能产生很大的扭矩。 但是能够提供的功率输出较低, 效率最大不超过10%。 为提高效率,可多层重叠(图见教材),3.3.2 垂直轴风力机,(2)达里厄型(D式)风力机 法国工程师达里厄发明。 常见有、H形结构等(图见教材)。 有较高的功率输出,不过它的起动扭矩低。 装置简单,成本也比较低, 是水平轴风力机的主要竞争者。,(3) S式和D式组合风力机 把输出性能好的D式风力机和启动性能好的S式风力机组合在一起使用(图见教材),可以兼顾输出能力、起动力矩和成本。,3.3.2 垂直轴风力机,(4)旋转
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