第3講風能和風力發電§3.1

風和風資源§3.1.1

風的形成地球自傳、公轉運動，地表的山川、沙漠、海洋等地形差異，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，一般把空氣的不規則運動稱為紊流，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。§3.1.1

風的形成按照形成原因，風有信風、海陸風和山谷風(平原風)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。對于平原地區感受此風的人來說，也可以稱其為平原風。§3.1.1

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。大型湖泊附近也有類似的情況。在山區，白天谷風從谷底向山上吹，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。。§3.1.2

風的描述（1）風向就是風吹來的方向。例如，大氣從南向北流動形成的風，就稱為南風。（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。一般在幾千米高度范圍內，隨著高度的增加，風會逐漸增大。天氣預報中的幾級風，是指離地面10米高度的風速等級。（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。風級的定義和描述風

級名

稱相應風速/(m/s)表

現0無風0～0.2零級無風炊煙上1軟風0.3～1.5一級軟風煙稍斜2輕風1.6～3.5二級輕風樹葉響3微風3.4～5.4三級微風樹枝晃4和風5.5～7.9四級和風灰塵起5清勁風8～10.7五級清風水起波6強風10.8～13.8六級強風大樹搖7疾風13.9～17.1七級疾風步難行8大風17.2～20.7八級大風樹枝折9烈風20.8～24.4九級烈風煙囪毀10狂風24.5～28.4十級狂風樹根拔11暴風28.5～32.6十一級暴風陸罕見12颶風＞32.6十二級颶風浪滔天§3.1.3

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，相當于1.08萬億噸煤蘊藏的能量。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1014MW，其中可被開發利用的風能約有35億MW。全球的風能折算為電能，相當于2.74萬億度，其中可利用的相當于200億度電，比地球上可開發利用的水電總量還要大10倍。地球1.07億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200萬度左右。顏色越深代表風能資源越豐富

§3.1.4

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2.53億千瓦，大體相當于我國水電資源技術可開發量的51.32%。根據中國氣象局風能太陽能資源評估中心公布，2019年我國各省地面10m高度年平均風速距平百分率，我國各省陸地70m高度年平均風速與風功率密度。§3.1.4

我國風資源風能資源的利用，取決于風能密度和可利用風能年累積小時數。按照有效風能密度的大小和3～20m/s風速全年出現的累積小時數，我國風能資源的分布可劃分為4類區域：豐富區、較豐富區、可利用區和貧乏區。§3.1.4

我國風資源根據全國氣象臺風能資料的統計和計算，中國各省份風能資源折算為發電功率狀況見下表，其中內蒙古、新疆、黑龍江和甘肅四省區的風力資源最為豐富。§3.2

風力機的種類一般將用作原動機的風車稱為風力機。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）。§3.2.1

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，最大直徑超過20m。這可能是出現最早的水平軸風力機。§3.2.1

水平軸風力機(2)螺旋槳式風力機螺旋槳式水平軸風力機目前技術最成熟、生產量最多。§3.2.1

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。§3.2.1

水平軸風力機(4)離心甩出式風力機法國人安東略發明，也叫Andreau式。是一種不直接利用自然風的獨特設計。采用空心葉片，當風輪在氣流的作用下旋轉時，葉片空腔內的空氣因受離心力作用而從葉片尖端甩出，并“吸”來氣流從塔架底部流入。空氣渦輪機安裝在塔底內部，利用塔底的氣流推動其驅動發電機發電。

§3.2.1

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。§3.2.1

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，根據設計特點，又可分為：－集風式－擴散式－集風擴散式§3.2.3

新型風力機(1)旋風型風力機

由美國的格魯曼空間公司詹姆斯伊恩首創的，其原理就是利用特殊結構的浮筒在浮筒內產生類似龍卷風的渦旋，形成低氣壓區，從而增加通過葉輪的空氣流量，提高風機的效率，據稱這種旋風型風力機的效率比傳統風力機要強大得多。

§3.2.3

新型風力機(2)建筑物風力機隨著現代化和城市化的發展，城市中的高層建筑越來越多，越來越高。這些高層建筑干擾了局部氣流，形成了特殊的聚風效應，這些高樓具有很大的能量，又在用能中心，充分利用這些風能可以獲得很多能源。

最典型的就是雙塔結構的建筑，它們之間狹窄通道處容易產生“文氏效應”，形成風口現象。§3.2.3

新型風力機

(2)建筑物風力機完工于2008年的巴林世貿中心主體結構包括兩座50層的雙子塔，底部是一個三層的基座，其兩座三角形的大廈高度達240米。在兩座大廈之間安裝了3座直徑29米的水平風力渦輪發電機。風力渦輪預計能夠支持大廈所需用電的11%-15%，使巴林世貿中心成為世界上首先為自身持續提供可再生能源的摩天大樓。巴林世貿中心§3.3

水平軸風力機的結構和原理

§3.3.1

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。§3.3.1

水平軸風力機的結構－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，保證風輪能在地面上方具有較高風速的位置運行；－機艙內集中放置調向裝置、

控制裝置、傳動機構、發電機等。§3.3.2

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。在實際的應用中，升力也有可能是側向力（帆船）或者是向下的力（賽車阻流板）。當攻角為0o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。§3.3.2

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，上表面的空氣壓力比下表面明顯要低，對翼型物體產生向上的“吸入”作用，增大升力。設計者一般喜歡利用升力裝置，因為升力比阻力大得多。§3.3.2

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θ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α與葉片靜止時的攻角不一樣。若以旋轉的葉片為參考系，則氣流與葉片之間存在與y軸方向相反的相對運動，考慮到氣流沿著x軸方向的實際運動，于是氣流相對于運動葉片的作用方向為圖中Wr所示。§3.3.2

水平軸風力機的原理風能利用系數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。風力機的效率，還要考慮風力機本身的機械損耗，與風能利用系數不是一個數值。§3.3.2

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λ來表示。Cp與λ的對應關系如圖所示，其中β為槳距角。§3.3.2

水平軸風力機的原理容積比（Solidity）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，多葉片風力機產生的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而不與葉片作用；如果葉尖速比太高，風力機會對風產生過大的阻力，一些氣流將繞開風力機流過。在低容積比的風力機中，三葉片的風輪效率最高，其次是雙葉片和單葉片。§3.3.2

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。§3.3.2

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：§3.3.2

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。當風力機起動時，有最低扭矩要求，起動扭矩主要與槳距和風速有關，因此風力機就有一個起動風速，稱為“切入風速”。風力機達到標稱功率輸出時的風速稱為額定風速。風速提高時，可利用調節系統，使風力機的輸出功率保持恒定。風速超過技術上規定的最高允許值時，風力機就有損壞危險，基于安全方面的考慮，風力機應立即停轉。該停機風速稱為“切出風速”。§3.3.3

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，空氣沿葉片表面穩定流動，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。§3.3.3

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，以改變葉片的風能捕獲能力，保持葉輪的吸收功率在額定功率以下。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。§3.4

風力發電機組§3.4.1

風電機組及其構成實現風力發電的成套設備稱為風力發電系統，或者風力發電機組(簡稱風力電機組)。風力發電機組完成的是“風能—機械能—電能”的二級轉換。風力機將風能轉換成機械能，發電機將機械能轉換成電能輸出。因此，從功能上說，風力發電機組由兩個子系統組成，即風力機及其控制系統、發電機及其控制系統。§3.4

風力發電機組§3.4.1

風電機組及其構成1葉輪，2輪轂，3變槳距部分，4液壓系統，5齒輪箱，6剎車盤，7發電機，

8控制系統，9偏航系統，10測風系統，11機艙蓋，12塔架圖為NORDEX公司生產的兆瓦級雙饋風力發電機組的結構。（具體圖片請參考《新能源發電技術》P51圖3.31）§3.4.2

風力發電機發電機是風力發電的核心設備，利用電磁感應現象把由風輪輸出的機械能轉換為電能。小功率風力發電，過去普遍采用直流發電機，現在已逐步被交流發電機取代。大中型風力發電機，大多數均采用交流發電機。§3.4.2

風力發電機（1）恒速恒頻的籠式感應發電機都是定槳距失速調節型，通過定槳距失速控制的風力機使發電機的轉速保持在恒定的數值，繼而使風力機并網后定子磁場旋轉頻率等于電網頻率，因而轉子、風輪的速度變化范圍小，不能保持在最佳葉尖速比，捕獲風能的效率低。§3.4.2

風力發電機（2）變速恒頻的雙饋感應式發電機一般都采用升速齒輪箱將風輪的轉速增加若干倍，傳遞給發電機轉子轉速明顯提高，因而可以采用高速發電機，體積小，質量輕。§3.4.2

風力發電機（3）變速變頻的直驅式永磁同步發電機特點是在有效風速范圍內，發電機組的轉速和發電機組定子側產生的交流電能的頻率都是變化的。§3.4.3傳動和控制機構（1）傳動機構對于容量較大的風電機組，由于風輪的轉速很低，遠達不到發電機發電的要求，因而可以通過齒輪箱的增速作用來實現。風力發電機組中的齒輪箱也稱增速箱。在雙饋式風力發電機組中，齒輪箱就是一個不可缺少的重要部件。也有一些采用永磁同步發電機的風力發電系統，在設計時由風輪直接驅動發電機的轉子，而省去齒輪箱，以減輕質量和噪聲。對于小型的風電機組，由于風輪的轉速和發電機的額定轉速比較接近，通常可以將發電機的軸直接連到風輪的輪轂。§3.4.3傳動和控制機構（2）對風系統(偏航系統)只有讓風垂直地吹向風輪轉動面，風力機才能最大限度地獲得風能。為此，常見的水平軸的風力機需要配備調向系統，使風輪的旋轉面經常對準風向(簡稱對風)。§3.4.3傳動和控制機構（3）限速和制動裝置風輪轉速和功率隨著風速的提高而增加，風速過高會導致風輪轉速過高和發電機超負荷，危及風力發電機組的運行安全。限速安全機構的作用是使風輪的轉速在一定的風速范圍內基本保持不變。風力發電機一般還設有專門的制動裝置，當風速過高時使風輪停轉，保證強風下風力發電機組的安全。§3.4.4塔架和機艙機艙除了用于容納所有機械部件外，還承受所有外力。塔架是支撐風輪和機艙的構架，目的是把風力發電裝置架設在不受周圍障礙物影響的高空中。塔架除了起支撐作用，還要承受吹向風力機和塔架的風壓，以及風力機運行中的動荷載。此外，塔架還能吸收風中機組的震動。塔架的高度視地面障礙物對風速影響的情況，以及風輪的直徑大小而定。現代大型風力發電機組的塔架高度有的已達100m。§3.4.4塔架和機艙塔架的高度視地面障礙物對風速影響的情況，以及風輪的直徑大小而定。現代大型風力發電機組的塔架高度有的已達100m。§3.5

風電場3.5.1風電場的概念風電場是在某一特定區域內建設的所有風力發電設備及配套設施的總稱。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。風電場具有單機容量小、機組數目多的特點。§3.5.2海上風電

§3.5.2海上風電海上風電的關鍵技術如下：（1）風資源評估（2）基礎建造海上風電基礎通常指的是水下結構和地基。由于水下情況復雜、基礎建造要綜合考慮海床地質結構、離岸距離、風浪等級、海流情況等多方面影響，這也是海上風電施工難度高于陸地風電的主要方面。§3.5.2海上風電（3）機組設計由于海上環境氣候惡劣，海浪潮汐情況復雜，海上風電場在運行中設備的故障率較高；而且，由于機組都位于海上，維修人員只能通過工作艇或直升機到達指定地點進行設備維修或更換，所以維護的成本很高。這就對海上機組設計及監控水平提出了更高要求：抗臺風抗鹽蝕風電場監控§3.5.2海上風電（4）機組安裝海上風力機安裝主要有兩種方式：海上分體安裝和海上整體安裝。海上分體安裝是在海上將風力機的各個部件進行安裝。海上整體安裝包括陸地安裝和海上運輸兩部分工作。（5）電網接入隨著近海風電場規模的不斷擴大，場址距離陸地的主電網越來越遠。輕型高壓直流輸電(VSC-HVDC)技術，以其在成本、維護、輸電質量等方面的優越性，越來越受到風力發電輸電系統尤其是海上輸電的青睞。§3.5.3小風電系統（1）小型風力發電機的構成結構比較簡單，通常由葉片、輪轂、變速箱、發電機、主機架、偏航機構、控制裝置、機罩和塔架等組成。發出交流電，經整流后直接向蓄電池組充電或向直流負載供電；還可經由變流器向交流負載（單相或三相）供電。在無風、風力發電機組不能運行發電時，為保持系統不間斷供電，離網風力發電系統還要配備蓄電池組。§3.5.3小風電系統小型風力發電的應用系統，由風力發電機組、控制裝置、蓄能裝置和電能用戶的電氣負荷等組成。（具體圖片請參考教材《新能源發電技術》P58圖3.34）§3.6

風力發電的發展－世界近20年來風電技術取得了巨大的進步，風力發電能力以平均每年20%以上的速度增長，已經成為各種能源中增長速度最快的一種。近年來歐洲、北美的風力發電裝機容量所提供的電力成為僅次于天然氣發電電力的第二大能源。歐洲的風力發電已經開始從“補充能源”向“戰略替代能源”的方向發展。§3.6

風力發電的發展－世界全球風能理事會預測，這種增長將持續下去，在未來五年內將增加355GW的風電裝機容量。這意味著到2024年底，每年將增加71GW的風電，屆時海上風電將其在風電總安裝量中的份額擴大到20％。（全球風電累計裝機容量和全球風電新增裝機容量的變化趨勢請參考教材《新能源發電技術》P59圖3.35和圖3.36）§3.6

風力發電的發展－中國我國風電技術發展始于20世紀80年代。1986年5月，我國第一個風電場在山東榮成馬蘭灣建成。2010年8月，上海東海大橋100MW海上風電示范項目風電場全部34臺華銳風電SL3000風電機組，順利完成海上風電場項目240小時預驗收考核。中國成為繼歐洲之后，最先擁有海上風電的地區。2019年9月，具有完全自主知識產權的我國首臺10MW海上風力發電機組在中國三峽福建產業園——東方電氣風電有限公司福建生產基地順利下線。§3.6

風力發電的發展－中國截至2018年年底，全國風電累計并網裝機容量達1.84億k