風(fēng)力發(fā)電簡(jiǎn)單原理ppt課件.ppt

第三講風(fēng)力發(fā)電簡(jiǎn)單原理 栗文義 1 一 風(fēng)的起源及特性1 風(fēng)的起源風(fēng)是最熟悉的自然現(xiàn)象 要了解風(fēng)的形成必須了解包圍著地球的大氣的運(yùn)動(dòng) 大氣的流動(dòng)也像水流一樣是從壓力高處往壓力低處流 太陽(yáng)能正是形成大氣壓差的原因 2 由于地球自轉(zhuǎn)軸與圍繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)軸之間存在66 5 的夾角 因此對(duì)地球上不同地點(diǎn) 太陽(yáng)照射角度是不同的 而且對(duì)同一地點(diǎn)一年365天中這個(gè)角度也是變化的 地球上某處所接受的太陽(yáng)輻射能正是與該地點(diǎn)太陽(yáng)照射角的正弦成正比 地球南北極接受太陽(yáng)輻射能少 所以溫度低 氣壓高 而赤道接受熱量多 溫度高 氣壓低 另外地球又繞自轉(zhuǎn)軸每24h旋轉(zhuǎn)一周 溫度 氣壓晝夜變化 3 這樣由于地球表面各處的溫度 氣壓變化 氣流就會(huì)從壓力高處向壓力低處運(yùn)動(dòng) 以便把熱量從熱帶向兩極輸送 因此形成不同方向的風(fēng) 并伴隨不同的氣象變化 大洋中的海流也起著類似的作用 從全球尺度來(lái)看 大氣中的氣流是巨大的能量傳輸介質(zhì) 地球的自轉(zhuǎn)以進(jìn)一步促進(jìn)了大氣中半永久性的行星尺度環(huán)流的形成 下圖表示了地球上風(fēng)的運(yùn)動(dòng)方向 4 5 風(fēng)的變化風(fēng)向和風(fēng)速是兩個(gè)描述風(fēng)的重要參數(shù) 風(fēng)向是指風(fēng)吹來(lái)的方向 如果風(fēng)是從北方吹來(lái)就稱為北風(fēng) 風(fēng)速是表示風(fēng)移動(dòng)的速度 即單位時(shí)間內(nèi)空氣流動(dòng)所經(jīng)過(guò)的距離 顯然風(fēng)向和風(fēng)速這兩個(gè)參數(shù)都是在變化的 6 1 風(fēng)隨時(shí)間的變化風(fēng)隨時(shí)間的變化 包括每日的變化和季節(jié)的變化 通常一天之中風(fēng)的強(qiáng)弱在某種程度上可以看作是周期性的 如地面上夜間風(fēng)弱 白天風(fēng)強(qiáng) 高空中正相反是夜里風(fēng)強(qiáng) 白天風(fēng)弱 這個(gè)逆轉(zhuǎn)的臨界高度約為100 150m 下圖是在日本川口國(guó)際廣播電臺(tái)的無(wú)線電鐵塔上測(cè)得的不同高度處 一天內(nèi)的風(fēng)速變化 7 8 由于季節(jié)的變化 太陽(yáng)和地球的相對(duì)位置也發(fā)生變化 使地球上存在季節(jié)性的溫差 因此風(fēng)向和風(fēng)的強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生季節(jié)性變化 我國(guó)大部分地區(qū)風(fēng)的季節(jié)性變化情況是 春季最強(qiáng) 冬季次之 夏季最弱 當(dāng)然也有部分地區(qū)例外 如沿海溫州地區(qū) 夏季季風(fēng)最強(qiáng) 春季季風(fēng)最弱 9 2 風(fēng)隨高度的變化從空氣運(yùn)動(dòng)的角度 通常將不同高度的大氣層分為三個(gè)區(qū)域 見(jiàn)下圖 離地面2m以內(nèi)的區(qū)域稱為底層 2 100m的區(qū)域稱為下部摩擦層 二者總稱為地面境界層 從100 1000m的區(qū)段稱為上部摩擦層 以上三區(qū)域總稱為摩擦層 摩擦層之上是自由大氣 10 大氣層的構(gòu)成圖 11 地面境界層內(nèi)空氣流動(dòng)受渦流 黏性和地面植物及建筑物等的影響 風(fēng)向基本不變 但越往高處風(fēng)速越大 各種不同地面情況下 如城市 鄉(xiāng)村和海邊平地 其風(fēng)速隨高度的變化如下圖所示 12 不同地面上風(fēng)速和高度的關(guān)系圖 13 關(guān)于風(fēng)速隨高度而變化的經(jīng)驗(yàn)公式很多 通常采用所謂指數(shù)公式 即 式中v 距地面高度為h處的風(fēng)速 m s v1 高度為hi處的風(fēng)速 m s n 經(jīng)驗(yàn)指數(shù) 它取決于大氣穩(wěn)定度和地面粗糙度 其值約為1 2 1 8 14 3 風(fēng)的隨機(jī)性變化如果用自動(dòng)記錄儀來(lái)記錄風(fēng)速 就會(huì)發(fā)現(xiàn)風(fēng)速是不斷變化的 一般所說(shuō)的風(fēng)速是指變動(dòng)部位的平均風(fēng)速 通常自然風(fēng)是一種平均風(fēng)速與瞬間激烈變動(dòng)的紊流相重合的風(fēng) 紊亂氣流所產(chǎn)生的瞬時(shí)高峰風(fēng)速也叫陣風(fēng)風(fēng)速 下圖表示了陣風(fēng)和平均風(fēng)速的關(guān)系 15 陣風(fēng)和平均風(fēng)圖速a一陣風(fēng)振幅 b一陣風(fēng)的形成時(shí)間 C一陣風(fēng)的最大偏移量 d一陣風(fēng)消失時(shí)間 16 風(fēng)況曲線風(fēng)況曲線是風(fēng)能利用的基礎(chǔ)資料 它是將全年 8760h 風(fēng)速在v m s 以上的時(shí)間作為橫坐標(biāo) 縱坐標(biāo)則為風(fēng)速v 見(jiàn)下圖 從風(fēng)況曲線即可知道該地區(qū)某種風(fēng)速以上有多少小時(shí) 從而制定相應(yīng)的風(fēng)能利用計(jì)劃 17 日本石廊崎等地區(qū)的風(fēng)況曲線圖 18 風(fēng)能特點(diǎn)風(fēng)能與其它能源相比 既有其明顯的優(yōu)點(diǎn) 又有其突出的局限性 風(fēng)能具有四大優(yōu)點(diǎn)和三大弱點(diǎn) 四大優(yōu)點(diǎn)是 蘊(yùn)量巨大 可以再生 分布廣泛 沒(méi)有污染 19 三大弱點(diǎn)是 1 密度低 這是風(fēng)能的一個(gè)重要缺陷 由于風(fēng)能來(lái)源于空氣的流動(dòng) 而空氣的密度是很小的 因此風(fēng)力的能量密度也很小 只有水力的1 816 在各種能源中 風(fēng)能的含能量是極低的 給其利用帶來(lái)一定的困難 20 2 不穩(wěn)定 由于氣流瞬息萬(wàn)變 因此風(fēng)的脈動(dòng) 日變化 季變化以至年際的變化都十分明顯 波動(dòng)很大 極不穩(wěn)定 3 地區(qū)差異大 由于地形的影響 風(fēng)力的地區(qū)差異非常明顯 一個(gè)鄰近的區(qū)域 有利地形下的風(fēng)力 往往是不利地形下的幾倍甚至幾十倍 21 二 風(fēng)力機(jī)簡(jiǎn)介風(fēng)力機(jī)又稱風(fēng)車 是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能 電能或熱能的能量轉(zhuǎn)換裝置 風(fēng)力機(jī)的類型很多 通常將其分為水平軸風(fēng)力機(jī) 垂直軸風(fēng)力機(jī)和特殊風(fēng)力機(jī)三大類 但應(yīng)用最廣的還是前兩種類型的風(fēng)力機(jī) 22 1 水平軸風(fēng)力機(jī)水平軸風(fēng)力機(jī)是目前國(guó)內(nèi)外最常見(jiàn)的一種風(fēng)力機(jī) 下圖表示了目前應(yīng)用最廣的各種不同迎風(fēng)式水平軸風(fēng)力機(jī)的示意圖 23 各種不同迎風(fēng)式水平軸風(fēng)力機(jī)示意圖a 單葉片 b 雙葉片 c 三葉片 d 美國(guó)農(nóng)場(chǎng)式多葉片風(fēng)車 g 車輪式多葉片風(fēng)車 f 迎風(fēng)式 g 背風(fēng)式 h 空心壓差式 i 川帆翼式 j 多轉(zhuǎn)子 k 反轉(zhuǎn)葉片式 24 2 垂直軸風(fēng)力機(jī)垂直軸風(fēng)力機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)與風(fēng)向無(wú)關(guān) 因此不需要像水平軸風(fēng)力機(jī)那樣采用迎風(fēng)裝置 但其輸出功率一般比水平軸風(fēng)力機(jī)小 下圖為各種不同的垂直軸風(fēng)力機(jī)的示意圖 風(fēng)力機(jī)的效率主要取決于風(fēng)輪效率 傳動(dòng)效率 貯能效率 發(fā)電機(jī)和其他工作機(jī)具的效率 25 圖1各種不同垂直軸風(fēng)力機(jī)示意圖 a 堅(jiān)軸風(fēng)機(jī) 阻力型 b 堅(jiān)軸風(fēng)機(jī) 升力型 1 S型 2 多葉片型 3 開(kāi)型式S型 4 平板式 5 中型達(dá)里厄 6 型達(dá)里厄 7 旋翼型 26 三 何謂風(fēng)力發(fā)電人類社會(huì)發(fā)展的歷史與能源的開(kāi)發(fā)和利用水平密切相關(guān) 每一次新型能源的開(kāi)發(fā)都使人類經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生一次飛躍 在我們進(jìn)入21世紀(jì)的今天 世界能源結(jié)構(gòu)也正在孕育著重大的轉(zhuǎn)變 即由礦物能源系統(tǒng)向以可再生能源為基礎(chǔ)的可持續(xù)能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)變 所謂可再生能源就是取之不盡 用之不竭 與人類共存的能源 它包括太陽(yáng)能 風(fēng)能 生物質(zhì)能 地?zé)崮?海洋能等 在這眾多的可再生能源中 目前發(fā)展最快 商業(yè)化最廣泛 經(jīng)濟(jì)上最適用的 當(dāng)數(shù)風(fēng)力發(fā)電 27 何謂風(fēng)力發(fā)電1 原理風(fēng)力發(fā)電的原理說(shuō)起來(lái)非常簡(jiǎn)單 最簡(jiǎn)單的風(fēng)力發(fā)電機(jī)可由葉輪和發(fā)電機(jī)兩部分構(gòu)成 如下圖所示 空氣流動(dòng)的動(dòng)能作用在葉輪上 將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能 從而推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn) 如果將葉輪的轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連 就會(huì)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出電來(lái) 孩童玩的紙質(zhì)風(fēng)車就是風(fēng)力機(jī)的雛形 在它的軸上裝個(gè)極微型的發(fā)電機(jī)就可發(fā)電 28 風(fēng)力發(fā)電的原理示意 29 風(fēng)力發(fā)電的原理這么簡(jiǎn)單 為什么僅到20世紀(jì)的中后期才獲得應(yīng)用呢 第一 常規(guī)發(fā)電還能滿足需要 社會(huì)生產(chǎn)力水平不夠高 還無(wú)法顧及降低環(huán)境污染和解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的供電問(wèn)題 第二 能夠并網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與制造 只有現(xiàn)代高技術(shù)的出現(xiàn)才有可能 20世紀(jì)初期是造不出現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)的 那么 現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)是什么樣呢 下面我們就介紹一下現(xiàn)代風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與技術(shù)特點(diǎn) 30 2 現(xiàn)代風(fēng)機(jī)上圖所示的風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電時(shí)有時(shí)無(wú) 電壓和頻率不穩(wěn)定 是沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的 一陣狂風(fēng)吹來(lái) 風(fēng)輪越轉(zhuǎn)越快 系統(tǒng)就會(huì)被吹跨 為了解決這些問(wèn)題 現(xiàn)代風(fēng)機(jī)增加了齒輪箱 偏航系統(tǒng) 液壓系統(tǒng) 剎車系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等 現(xiàn)代風(fēng)機(jī)的示意如下圖所示 31 現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)示意圖 32 齒輪箱可以將很低的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速 600千瓦的風(fēng)機(jī)通常為27轉(zhuǎn) 分 變?yōu)楹芨叩陌l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速 通常為1500轉(zhuǎn) 分 同時(shí)也使得發(fā)電機(jī)易于控制 實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的頻率和電壓輸出 偏航系統(tǒng)可以使風(fēng)輪掃掠面積總是垂直于主風(fēng)向 要知道 600千瓦的風(fēng)機(jī)機(jī)艙總重20多噸 使這樣一個(gè)系統(tǒng)隨時(shí)對(duì)準(zhǔn)主風(fēng)向也有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)難度 33 風(fēng)機(jī)是有許多轉(zhuǎn)動(dòng)部件的 業(yè)已說(shuō)明 機(jī)艙在水平面旋轉(zhuǎn) 隨時(shí)跟風(fēng) 風(fēng)輪沿水平軸旋轉(zhuǎn) 以便產(chǎn)生動(dòng)力 在變槳矩風(fēng)機(jī) 組成風(fēng)輪的葉片要圍繞根部的中心軸旋轉(zhuǎn) 以便適應(yīng)不同的風(fēng)況 在停機(jī)時(shí) 葉片尖部要甩出 以便形成阻尼 液壓系統(tǒng)就是用于調(diào)節(jié)葉片槳矩 阻尼 停機(jī) 剎車等狀態(tài)下使用 34 要知道 通常所說(shuō)的12級(jí)颶風(fēng) 其風(fēng)速范圍也僅為32 7 36 9米 秒 風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng) 要在這樣惡劣的條件下 根據(jù)風(fēng)速 風(fēng)向?qū)ο到y(tǒng)加以控制 在穩(wěn)定的電壓和頻率下運(yùn)行 自動(dòng)地并網(wǎng)和脫網(wǎng) 并監(jiān)視齒輪箱 發(fā)電機(jī)的運(yùn)行溫度 液壓系統(tǒng)的油壓 對(duì)出現(xiàn)的任何異常進(jìn)行報(bào)警 必要時(shí)自動(dòng)停機(jī) 35 3 風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)現(xiàn)代大型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 單臺(tái)容量一般為600 1000千瓦 目前國(guó)際上研制的超大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量也只為6MW 對(duì)于一個(gè)大型發(fā)電場(chǎng)來(lái)說(shuō) 其容量還是很小的 因此 我們一般將十幾臺(tái)或幾十臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成一個(gè)風(fēng)電場(chǎng) 這樣既形成一個(gè)強(qiáng)大的供電體系 也便于管理 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控 同時(shí) 也降低了安裝 運(yùn)行和維護(hù)的成本 下圖為山東長(zhǎng)島風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)一角 36 山東長(zhǎng)島風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)一角 37 控制