风力发电厂 风力资源

3.1风力资源一.风的形成风是大规模的气体流动现象。在地球上是由地球表面的空气流动形成的，主要原因是太阳辐射对地球表面的不均匀加热。由于地球形状以及与太阳的位置关系，赤道地区因吸收较多的太阳辐射导致该地区比两极地区热。地球从太阳接受的辐射功率大约1.7×1014kW,约2%转化为风能；地球上可利用的风能资源为200亿kW，是地球上可利用水能的20倍。特点：全球风资源分布非常不均匀。一般分为全球气候风（大尺度气候风）、中尺度气候风和局部气候风。二.风的种类1.贸易风古代商船都是帆船，它们就是靠着这种方向常年不变的风航行于海上，故名贸易风。指的是在低空从副热带高压带吹向低气压带的风。在地球赤道上，热空气上升，分为流向地球南北两极的两股强力气流，在纬度30°附近，气流下降，并分别流向赤道与两极。在赤道两边的低层大气中，北半球吹东北风，南半球吹东南风。年年如此，稳定出现，因此被称为“信风”。2.旋风和反旋风在纬度50°-60°附近，由地球南北两极流向赤道的冷空气气流与赤道流向两极的热空气气流相遇，构成了涡流运动，形成旋风与反旋风。3.地区性风受地形差异（陆地、海洋、山岳、森林、沙漠）影响，即使在同一纬度上，空气受到的加热程度不一样，因而产生了地区性风。4.轻风轻风仅在沿海岸发生，范围海洋和陆地两方各40m。有太阳时，产生海风，通常自早上9点-10点开始；夜间形成陆地风，通常落日时开始。5.季节风与海洋相比，陆地上每年的温度变化较大。因此，与轻风原理相似，季节性的气流循环形成了季节风，强度大与轻风的气流循环强度。6.平原和山岳风与轻风相似，自每日9：00—10:00开始，平原风沿着山岳的坡度向高处流动。夜间相反，气流自山岳流向平原，形成了山岳风。三.风速的概率分布风速、风向、风频。风速：风的大小，单位时间内空气在水平方向上的移动距离，m/s、km/s、mile/s。风频：风向频率、风速频率。分别指各种方向的风和各种速度的风出现的频率。四.风力等级通常3～20m/s的风作为能量资源开发，这一范围的风称为有效风能或风能资源。风速小于3m/s能量太小；风速大于20m/s时，对风机的破坏性很大，难以利用。目前开发的大型水平轴风力发电机可将上限风速提高到25m/s左右。五.风的变化1.风随时间变化地面上白天风大夜间风小；高空中白天风小夜间风大。沿海地区，白天海风，晚上陆风。我国大部分地区风的季节性变化规律：春冬秋夏由强变弱。2.风随高度变化从地球表面到1Wm高空层内，风速随高度的增加而增大。六.风能的计算风能的大小取决于风速及空气密度。E=（ρ×t×S×v3）/2ρ：空气密度，kg/m3；v：风速，m/s；S：截面面积，m2；t：时间，s。对于风力发电机来说，单位时间内空气传递给风机的风能功率为：P=（ρ×A×v3）/2A：风机叶片的扫风面积，m2；P：风能功率，W。一团质量为m的空气以速度v运动，它所具有的动能E=mv2/2.设一个垂直于风向的平面，面积为S,则有单位时间通过该平面的空气质量m为m=vsρ实际上风力发电机不可能将叶片旋转的风能全部转变为轴的机械能，实际风机的功率为：P=（ρAυ3Cp）/2Cp为风能的利用效率，理论最大值为0.593，实际为0.4左右。对于某一个地区，风能密度时表征该地区风资源的另一个重要参数：W=P/A=（ρυ3）/2七.风能的优点和局限性优点：蕴藏量大、无污染、可再生、分布广泛、就地取材、无需运输。局限性：不稳定、能量密度低、地区差异大。八、我国风资源分布全国风能密度为100W/m2，风能资源总储量约1.6X105MW,特别是东南沿海及附近岛屿、内蒙古和甘肃走廊、东北、西北、华北和青藏高原等部分地区，每年风速在3m/s以上的时间近4000h左右，一些地区年平均风速可达6～7m/s以上，具有很大的开发利用价值。我国风能资源划分为如下：第一东南沿海及其岛屿，为我国最大风能资源区。有效风能密度≥200W/m2的等值线平行于海岸线，沿海岛屿的风能密度在300W/m2以上，有效风力出现时间百分率达80～90%，≥8m/s的风速全年出现时间约7000～8000h，≥6m/s的风速也有4000h左右。第二内蒙古和甘肃北部，为我国次大风能资源区。这一地区，终年在西风带控制之下，而且又是冷空气入侵首当其冲的地方，风能密度为200～300W/m2，有效风力出现时间百分率为70%左右，≥3m/s的风速全年有5000h以上，≥6m/s的风速在2O00h以上，从北向南逐渐减少。第三黑龙江和吉林东部以及辽东半岛沿海，风能也较大。风能密度在200W/m2以上，≥3m/s和6m/s的风速全年累积时数分别为5000～7O00h和3000h。第四青藏高原、三北地区（东北、华北、西北）的北部和沿海。风能密度在150～200W/m2之间，≥3m/s的风速全年累积为4000～5000h，≥6m/s风速全年累积为3000h以上。第五云贵川，甘肃、陕西南部，河南、湖南西部，福建、广东、广西的山区，以及塔里木盆地，为我国最小风能区。有效风能密度在50W/m2以下，可利用的风力仅有20%左右，≥3m/s的风速全年累积时数在2000h以下，≥6m/s的风速在15Oh以下。3.2风力发电的基本原理风力发电机是将风能转换为机械能的动力机械，又称风车。原理：①风带动叶片旋转②通过增速器将旋转的速度提高③带动发电机发电的。空气流动的动能作用在叶轮上，将动能转换成机械能，从而推动片叶旋转，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。3.3风力机的型式风力发电机组由两大部分组成：①风力机,将风能转换为机械能;②发电机,将机械能转换为电能。风力机的种类风力机将风能转变为机械能的主要部件是受风力作用而旋转的风轮,依风轮的结构及其在气流中的位置大体可分为两大类:①水平轴风力机②垂直轴风力机一.水平轴风力机1.基本结构基础：固定塔架；塔架：支撑机舱和风轮；机舱：装载发电机、主传动系统；风轮：由叶片固定在轮毂上组成，将风能转为叶片的机械能。2．水平轴风力机的类型（1）按装机容量划分微型、小型、中型、大型（2）按功率调节方式划分定桨距、变桨距、主动失速（3）按传动形式划分（4）按发电机转速变化划分（5）按照风轮与塔架相对位置划分迎风式、顺风式风轮上的叶片是径向安置的,与旋转轴相垂直,并与风轮的旋转平面成一角度φ(安装角)。风轮叶片数目：用于风力发电的风力机一般叶片数取1～4(大多为2片或3片),而用于风力提水的风力机一般取叶片数12～24。叶片数多的风力机称为低速风力机,它在低速运行时,风能利用系数较高、转矩较大，起动力矩大、起动风速低,适用于提水。叶片数少的风力机常称为高速风力机,它在高速运行时风能利用系数较高,但起动风速较高。由于其叶片数很少,在输出同样功率的条件下比低速风轮要轻得多,适用于发电。3.额定风速、切入风速和切出风速额定风速:风电机组达到额定功率时对应的风速;额定风速的大小直接影响到机组的总体构成和成本切入风速:风电机组开始并网发电的最低风速;决定了机组在低风速条件下的性能。切出风速则主要用于极端风速条件下对机组进行停机保护。二.垂直轴式风力机风轮旋转轴垂直于地面或者来流方向的风力发电机称之为垂直轴风力发电机。垂直轴风力发电机的特点1）安全性2）噪音小3）抗风能力强4）回转半径小5）发电量高6）利用风速范围7）刹车装置8）运行维护方便主要优点:（1）可以接受来自任何方向的风,无需对风，不需要调向装置,结构设计简化。（2）齿轮箱和发电机可以安装在地面上,检修维护方便。垂直轴风力机可分为两个主要类别：阻力型、升力型。（1）阻力型垂直轴风力机