1、新能源與分布式發電技術綜述第3講 風能與風力發電第3講 風力發電關注的問題風是最常見的自然現象之一。風是怎樣形成的？人類何時開始懂得對風能的利用？又是如何利用的？風力發電的原理是怎樣的？風力發電的設備什么樣？風力發電能達到什么樣的規模？發展狀況如何？教學目標了解風資源情況和風能利用的發展歷史，掌握風力發電的基本原理和主要設備，理解風力發電的重要意義和發展前景。 風能利用的歷史人類利用風能的歷史，至少可以追溯到5000多年以前。埃及可能是最先利用風能的國家。趣聞：風能與金字塔（見教材）2000多年以前，人類開始利用風的力量進行生產，例如靠風力帶動簡易裝置來碾米磨面、引水灌溉。公元前幾百年，亞洲的

2、巴比倫人、波斯人也開始利用風能。公元10世紀，伊斯蘭人開始用風車提水。到11世紀，風車在中東地區已經獲得廣泛的應用。 風能利用的歷史12世紀，風車的概念和設計從中東傳入歐洲。荷蘭人發明了水平轉軸的塔形風車，并且很快風靡北歐。唐吉訶德大戰風車的故事聽說過吧？（教材引例故事）除了磨面、榨油、造紙、鋸木等生產作業之外，在比利時等地勢較低國家還用風車來排水。 風能利用的歷史至少在3000年以前，我國就出現了帆船。中國最輝煌的風帆時代是明代，鄭和下西洋，龐大的風帆船（見教材）在那幾次舉世聞名的航行中功不可沒。鄭和的“準環球”旅行，比西方的哥倫布和麥哲倫早了好幾百年。 風能利用的歷史公元前數世紀我國人民就

3、開始利用風力提水、灌溉、磨面、舂米等。1300多年前宋代的一種垂直軸“走馬燈式” ，一直沿用到新中國成立（見教材）。中國沿海沿江地區的風力提水灌溉或制鹽的做法，曾經非常盛行，僅在江蘇沿海利用風力的設備就曾多達。我國使用最廣泛的是“斜桿式”風車，直到今天，沿海地區農田和鹽場中仍有上千臺之多。 風和風資源 風的形成地球轉動，地表的地形差異，以及云層遮擋和太陽輻射角度的差別，使地面受熱不均。不同地區的溫差和空氣中水蒸汽含量不同，形成不同的氣壓區。空氣從高氣壓區域向低氣壓區域的自然流動，稱為大氣運動。在氣象學上，一般把垂直方向的大氣運動稱為氣流，水平方向的大氣運動就是風。 風的形成按照形成原因，風有信

4、風、海陸風和山谷風等。 （1）信風 赤道附近氣溫高，熱氣上升；兩極氣溫低，冷氣下降，相互填補空缺 ，冷空氣在地面附近從兩極流向赤道(高空反之)。地球自西向東轉，北半球東北風，南半球東南風。（2）海陸風 海洋熱容量大。白天日照下陸地溫度比海面高，熱空氣上升，海面冷空氣在地表附近流向陸地，這就是海風。夜間，陸地比海洋冷卻得快，形成流向海洋的陸風。（3）山谷風 白天山坡朝陽面受熱較多，空氣上升；低凹處受熱少，冷空氣從山谷流向山坡，形成谷風。夜間，山坡降溫幅度大，冷空氣則沿山坡向下流動，形成山風。 風的形成一般，在晴朗而且晝夜溫差較大的沿海地區，白天吹來海風，夜晚則有陸風吹向海上。在山區，白天谷風從谷

5、底向山上吹，晚上山風從山上向山下吹。大陸與海洋的熱容量差別，還會形成季節性的氣壓變化。以中國的華北地區為例，冬季內陸氣溫低，多形成高氣壓區，空氣流向東南方向的海洋低氣壓區，所以在冬季多刮西北風。而夏季正好相反，我國大部分地區常刮東南風。 。 風的描述（1）風向 就是風吹來的方向。例如，南風。 早在商代，就有對風向的定義和觀測，見教材（2）風速 就是單位時間內空氣在水平方向上移動的距離。通常指一段時間內的風速的算術平均值。（3）風能和風能密度風中流動的空氣所具有的能量，稱為風能。風能密度，就是單位面積上流過的風能。 世界風資源有專家估計，地球上的風能，大約是目前全世界能源總消耗量的100倍，相當

6、于萬億噸煤蘊藏的能量。據世界氣象組織估計，全球大氣中蘊藏的總的風能功率約為1014 MW，其中可被開發利用的風能約有MW。全球的風能折算為電能，相當于萬億度，其中可利用的相當于億度電。地球億平方公里的陸地表面，平均風速高于5m/s（距地面10m高處）的面積約占27%。 據分析，其中只有4左右的面積有可能安裝風力發電機。以目前的技術水平，每平方公里的風能發電量為330千瓦左右，平均每年發電量的合理估計為萬度左右。 我國風資源研究表明，全國平均風能密度約為100W/m2，全國風能總儲量約48億兆瓦，陸上和近海區域10米高度可開發風能資源儲量約為10億千瓦，其中有很好開發利用價值的陸上風資源大約有千

7、瓦。 我國風資源中國氣象局風能太陽能資源評估中心，公布了全國平均風速分布和有效風功率密度分布情況，參見教材圖和圖。 風力機的種類各種類型的風力機，都至少包括葉片（有些稱為槳葉）、輪轂、轉軸、支架（有些稱為塔架）等部分。其中由葉片和輪轂等構成的旋轉部分又稱為風輪。按轉軸與風向的關系，風力機大體上可分為兩類：水平軸風力機（風輪的旋轉軸與風向平行）；垂直軸風力機（風輪的旋轉軸垂直于地面或氣流方向）。 水平軸風力機(1)荷蘭式風力機12世紀初荷蘭人發明，曾在歐洲(荷、比、西等國)廣泛使用。這可能是出現最早的水平軸風力機。荷蘭風車有兩種形式，詳見教材。 水平軸風力機(2)螺旋槳式風力機螺旋槳式水平軸風力

8、機目前技術最成熟、生產量最多。其翼型與飛機的翼型類似，一般多為雙葉片或三葉片，也有少量用單葉片或四葉片以上的。 水平軸風力機(3)多翼式風力機也叫多葉式風力機，一般裝有20枚左右的葉片，是典型的低轉速大扭矩風力機。 水平軸風力機(4)離心甩出式風力機是一種不直接利用自然風的獨特設計。采用空心葉片。 結構比較復雜，通道內空氣流動的摩擦損失大，總體效率很低。 水平軸風力機(5)透平式風力機也叫渦輪式風力機，其結構形式燃氣輪機和蒸汽輪機類似，由靜葉片和動葉片組成。這種風力機的葉片短，強度高，尤其適用于強風場合，例如南極和北極地區。 水平軸風力機(5)壓縮風能型風力機是一種特殊設計的風力機，圖見教材，

9、利用裝在葉輪外面的集風器或擴散筒，提高經過風輪的空氣密度，或者增加風輪兩側的氣壓差，從而提高風能吸收的效果。還有安裝和成本上的問題需要解決。 垂直軸風力機(1)薩布紐斯式（S式）風力機芬蘭工程師薩布紐斯發明，我國簡稱為S式。通常由兩枚半圓筒形的葉片所構成，也有用34枚的。主要靠兩側葉片的阻力差驅動，能產生很大的扭矩。但是能夠提供的功率輸出較低，效率最大不超過10%。為提高效率，可多層重疊（圖見教材） 垂直軸風力機(2)達里厄型（D式）風力機法國工程師達里厄發明。常見有、H形結構等（圖見教材）。有較高的功率輸出，不過它的起動扭矩低。裝置簡單，成本也比較低，是水平軸風力機的主要競爭者。(3) S式

10、和D式組合風力機把輸出性能好的D式風力機和啟動性能好的S式風力機組合在一起使用（圖見教材），可以兼顧輸出能力、起動力矩和成本。 垂直軸風力機(4)旋轉渦輪式風力機靠壓差推動的橫流式風力機，其原理受通風機的啟發演變而得。教材給出了一種多葉型旋轉渦輪式風力機的照片。結構復雜價格也較高，有些能改變槳距，起動性能好，能保持一定的轉速，效率極高。 垂直軸風力機(5)美格勞斯效應風力機美格勞斯效應風力機由自旋的圓柱體組成，在氣流中工作時，產生的移動力由美格勞斯效應（參見教材）引起，大小與風速成正比。在大的圓形軌道上移動的小車上裝上回轉的圓筒，由風力驅動小車，用裝在小車軸上的發電機發電。 水平軸風力機的結構

11、和原理 水平軸風力機的結構目前應用較多的是水平軸風力機，且多用螺旋槳型葉片。水平軸風力機主要包括風輪、塔架、機艙等部分。風輪是由輪轂及安裝于輪轂上的若干葉片(槳葉)組成，是風力機捕獲風能的部件；塔架是風力機的支撐結構；機艙內集中放置調向裝置、控制裝置、傳動機構、發電機等。 水平軸風力機的原理翼型及其受力在與飛行器設計有關的空氣動力學中，升力是促使飛行器飛離地面的力，因而被稱為升力。當攻角為0時，升力最小。當氣流方向與物體表面垂直時，物體受到的阻力最大。 水平軸風力機的原理伯努利效應空氣的壓力與氣流的速度有一定的對應關系，流速越快，壓力越低，這種現象叫作伯努利效應。翼型上表面凸起部分的氣流較快，

12、上表面的空氣壓力比下表面明顯要低，從而對翼型物體產生向上的“吸入”作用，增大升力。 水平軸風力機的原理槳距（節距角）攻角與葉片的安裝角度有關。葉片的安裝角稱為節距角，有時也稱之為槳距，常用字母表示。當風輪旋轉時，葉片在垂直于氣流方向的方向上也與氣流有相對運動，因而實際的攻角與葉片靜止時的攻角不一樣。 水平軸風力機的原理風能利用系數任何類型風力機都不可能將接觸的風能全部轉化成機械能。風力機能夠從風中吸取的能量，與風輪掃過面積內的全部風能(未受風輪干擾時)之比，稱為風能利用系數。根據Betz理論(見教材)，風能利用系數有理論最大值，約。風能利用系數主要取決于風輪葉片的設計（如攻角、槳距、翼型）以及

13、制造水平，還和轉速有關。高性能的螺旋槳式風力機，Cp值一般在左右。 水平軸風力機的原理葉尖速比葉片尖端旋轉速率與上游未受干擾的風速之比，稱葉尖速比，常用字母來表示。風能利用系數Cp與葉尖速比有關，詳見教材。當取特定值時Cp值最大，稱之為最佳葉尖速比。 水平軸風力機的原理容積比也叫實度，表示“實體”在掃掠面積中所占的百分數。多葉片風力機具有很高的容積比，被稱為高容積比風力機；具有少數幾個窄葉片的風力機，則被稱為低容積比風力機。多個葉片會互相干擾，因此總體上高容積比的風力機效率低。不過，空氣動力學噪聲一般較小。低容積比風力機，如果葉尖速比太低，有些風會直接吹過轉子的掃掠面積；如果葉尖速比太高，一些

14、氣流將繞開風力機流過。 水平軸風力機的原理力矩和轉速風力機機械能等于葉片角速度與風作用于風輪的力矩的乘積。獲取風能相同，角速度小，則力矩大；角速度大，則力矩小。低速風力機的輸出功率小，扭矩系數大，用于磨面和提水的風力機，常采用多葉片風力機。高速風力機效率高、輸出功率大，因此風力發電常用23葉片。 水平軸風力機的原理取自風能的功率風力機捕獲風能轉變為機械功率：一般不易對空氣密度、風速、葉片半徑等進行實時控制，為了實現風能捕獲最大化，唯一的控制參數就是風能利用系數Cp 。主要是控制葉尖速比和槳距等。 水平軸風力機的原理工作風速風力機并不是在所有風速下都能正常工作。起動風速“切入風速” ； “額定風

15、速” ；停機風速“切出風速” 。 風力機的功率調節方式定槳距風力機功率調節風輪葉片的槳距角固定不變，利用葉片的失速特性調節風力機的輸出功率。在額定風速以下，吸收的能量隨流速上升而增加；當超過額定風速后，葉片翼型發生變化，葉片后側的氣流分離產生湍流，葉片效率急劇下降，輸出功率不隨風速上升而增加。失速型葉片存在扭角，失速從葉片的局部開始，隨風速的上升而逐步向葉片全長發展，起到功率調節作用。定槳距風力機的風功率捕獲控制完全依靠葉片的氣動性能，優點是結構簡單、造價低、同時具有較好的安全系數。缺點是難以對風功率的捕獲進行精確的控制。 風力機的功率調節方式變槳距風力機功率調節通過調節槳距角改變葉片攻角，以

16、改變葉片的風能捕獲能力。啟動時，調節槳距角，限制風能捕獲以維持風力機轉速恒定。低于額定風速時，保持槳距角恒定，通過調速控制使風力機運行于最佳葉尖速，維持風力機組在最佳風能捕獲效率下運行。高于額定風速時，調節風力機槳距角，使風輪葉片的失速效應加深，從而限制風能的捕獲。變槳距功率調節可在高于額定風速時保持穩定的功率輸出，并且機組結構受力相對較小。但是需要槳距調節裝置，控制系統復雜，價格較高，風速跟蹤有延時，可能導致風力機瞬間超載。同時，風速的不斷變化會導致變槳機構頻繁動作，損壞后維修費用昂貴。 風力發電機組 風電機組及其構成 風力發電機常見的風力發電機類型（1）恒速恒頻的鼠籠式感應發電機（2）變速

17、恒頻的雙饋感應式發電機（3）變速變頻的直驅式永磁同步發電機 傳動和控制機構包括傳動結構（例如齒輪箱）、對風系統（偏航系統）、限速和制動裝置。詳見教材 塔架和機艙塔架的高度視地面障礙物對風速影響的情況及風輪直徑大小而定（詳見教材） 風電場3.6.1 風電場的概念在風力資源豐富的地區，將數十臺至數千臺單機容量較大的風力發電機組集中安裝在特定場地，按照地形和主風向排成陣列，組成發電機群，產生數量較大的電力并送入電網，這種風力發電的場所就是風電場。風電場單機容量小、機組數目多。 風電場更多類型的風電場照片，詳見教材節。 風電場3.6.2 風力發電的特點優點：（1）沒有直接污染排放；（2）不需要水參與發電過程；（3）經濟性好。對環境的負面影響：（1）風力機的噪聲；（2）風力機的電磁干擾；（3）視覺影響；等等。 風電的發展世界世界之最：（詳見教材）第一個風力發電站；第一臺螺旋槳式大型風力發電機；第一臺兆瓦級風力發電機；現代風力機的雛形。 風電的發展世界20世紀70年代以來，隨著世界性能源危機和環境污染日趨嚴重，在風力發電技術研究和應用上投入了相當大的人力及資金，研制出了高效、可靠的風力發電機，為風電的大規模發展提供了條件。1997-2007世界風電總