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1、第四章 风能1内容提要内容提要概述概述风力发电原理和技术风力发电原理和技术中国风力发电发展中国风力发电发展欧洲风电发展欧洲风电发展美国风力发电美国风力发电印度的风能利用印度的风能利用风能政策计划风能政策计划24.1 4.1 4.1 4.1 概论(概论(概论(概论(IntroductionIntroductionIntroductionIntroduction)4.1.1 4.1.1 人类开发风能的历史人类开发风能的历史1)中国是开发风能最早的国家之一)中国是开发风能最早的国家之一 “乘风破浪会有时,直挂云帆济沧海乘风破浪会有时,直挂云帆济沧海”商代已出现帆船。商代已出现帆船。14世纪的郑和下西
2、洋。世纪的郑和下西洋。2)16世纪荷兰人利用风车排水世纪荷兰人利用风车排水 4.1.2 4.1.2 开发风能的动因开发风能的动因1)经济驱动力)经济驱动力 化石能源的枯竭,经济最优化,能源产业升级。化石能源的枯竭,经济最优化,能源产业升级。2)环境驱动力)环境驱动力3)社会驱动力)社会驱动力 可创造很多就业机会可创造很多就业机会4)技术驱动力)技术驱动力 空气动力学的不断进步以及高强度、轻质材料的出现空气动力学的不断进步以及高强度、轻质材料的出现34.1 4.1 4.1 4.1 概论(概论(概论(概论(IntroductionIntroductionIntroductionIntroducti
3、on)4.1.3 4.1.3 世界风能开发现状世界风能开发现状全球风能总资源为全球风能总资源为53 106 亿度亿度/年,年,1)装机容量)装机容量 2003年,全世界风力发电量占各种电源总电量的年,全世界风力发电量占各种电源总电量的0.5%。20世纪世纪90年代以后,风电装机年平均增长率超过年代以后,风电装机年平均增长率超过30%。2)风力发电的成本)风力发电的成本 低风力发电成本低风力发电成本3-5美分美分/度度 高风力发电成本高风力发电成本10-12美分美分/度度 1)长期保护性电价)长期保护性电价2)可再生能源的配额制政策)可再生能源的配额制政策 要求所有电力供应商购买一定数量的可再生
4、能源电力。要求所有电力供应商购买一定数量的可再生能源电力。3)公共效益基金)公共效益基金 风能和其他可再生能源发展的一种融资机制。风能和其他可再生能源发展的一种融资机制。4)招投标政策)招投标政策 采用招投标程序选择风能和其他可再生能源的开发商。采用招投标程序选择风能和其他可再生能源的开发商。4.1.4 4.1.4 世界鼓励风能发电的政策性措施世界鼓励风能发电的政策性措施44.2 4.2 4.2 4.2 风力发电原理和技术风力发电原理和技术风力发电原理和技术风力发电原理和技术4.2.1 4.2.1 风能的基本特征风能的基本特征风的形成:太阳辐射造成地球表面受热不均,地球自转产生地转偏向力。风的
5、形成:太阳辐射造成地球表面受热不均,地球自转产生地转偏向力。1)风速)风速 有效风能:启动风速到停机风速之间的风速段的风能。有效风能:启动风速到停机风速之间的风速段的风能。2)风级)风级 风级风级名称名称相应风速相应风速/(m/s)表现表现0无风无风0-0.2零级无风炊烟上零级无风炊烟上1轻风轻风0.3-1.5一级软风烟稍斜一级软风烟稍斜2轻风轻风1.6-3.5二级轻风树叶响二级轻风树叶响3微风微风3.4-5.4三级微风树枝慌三级微风树枝慌4和风和风5.5-7.9四级和风灰尘起四级和风灰尘起5清劲风清劲风8-10.7五级清风水起波五级清风水起波6强风强风10.8-13.8六级强风大树起六级强风
6、大树起7疾风疾风13.9-17.1七级疾风步难行七级疾风步难行8大风大风17.2-20.7八级大风树枝折八级大风树枝折9烈风烈风20.8-24.4九级烈风烟囱毁九级烈风烟囱毁10狂风狂风24.5-28.4十级狂风树根拔十级狂风树根拔11暴风暴风28.5-32.6十一级暴风陆罕见十一级暴风陆罕见12飓风飓风32.6十二级飓风浪滔天十二级飓风浪滔天54.2 4.2 4.2 4.2 风力发电原理和技术风力发电原理和技术风力发电原理和技术风力发电原理和技术4.2.1 4.2.1 风能的基本特征风能的基本特征3)风能密度)风能密度 通过单位截面积的风所含的能量称为风能密度,通过单位截面积的风所含的能量称
7、为风能密度,W/m24)风能的计算)风能的计算 风能密度:风能密度:W-平均风能密度,平均风能密度,W/m2Vi等级风速,等级风速,m/sNi等级风速等级风速Vi 出现的次数出现的次数N-各等级风速出现的总次数各等级风速出现的总次数r-空气密度空气密度风能就是气流流过的动能:风能就是气流流过的动能:A-气流通过的面积气流通过的面积5)风能玫瑰图)风能玫瑰图 图图中中各各射射线线长长度度分分别别表表示示某某一一方方向向上上风风向向频频率率与与相相应应风风向向平平均均风风速速立立方方值值的的乘乘积积。根根据据风风能能玫玫瑰瑰图图能能看看出出哪哪个个方方向向上上的的 风风具具有有能能量量的的优优势势
8、,并并可可加加以以利利用用。64.2 4.2 4.2 4.2 风力发电原理和技术风力发电原理和技术风力发电原理和技术风力发电原理和技术4.2.2 4.2.2 风能发电的原理风能发电的原理1)风力发电机的构造)风力发电机的构造 风轮、发电机(包括传动部分),调向器(尾翼),塔架、限速安全风轮、发电机(包括传动部分),调向器(尾翼),塔架、限速安全机构和储能装置。机构和储能装置。2)发电机的种类)发电机的种类 直流发电机、同步交流发电、异步交流发电机。直流发电机、同步交流发电、异步交流发电机。4.2.3 4.2.3 风力发电机安装场址的选择风力发电机安装场址的选择1)风能资源丰富的地区)风能资源丰
9、富的地区 评价指标:平均风速、年平均有效风能密度、年有效风速时数。评价指标:平均风速、年平均有效风能密度、年有效风速时数。2)具有较稳定的盛行风向)具有较稳定的盛行风向 3)季节性变化比较小)季节性变化比较小4)湍流小)湍流小5)自然灾害小)自然灾害小74.2 4.2 4.2 4.2 风力发电原理和技术风力发电原理和技术风力发电原理和技术风力发电原理和技术4.2.4 4.2.4 风能发电的技术经济性风能发电的技术经济性1)微小型离网风力发电技术)微小型离网风力发电技术 100-150W,我国内蒙安装较多,我国内蒙安装较多,2.31元元/度,电网延伸的办法度,电网延伸的办法8元元/度,度,汽油柴
10、油发电汽油柴油发电6元元/度。度。2)大中型并网风力发电)大中型并网风力发电 0.59元元/度,高于煤电成本。度,高于煤电成本。4.2.5 4.2.5 风力发电技术的发展趋势风力发电技术的发展趋势1)单机容量增大)单机容量增大 2)风电机桨叶的变化)风电机桨叶的变化 2MW风机叶轮扫风直径达到风机叶轮扫风直径达到72 m,玻璃纤维增强树脂发展为碳纤维。,玻璃纤维增强树脂发展为碳纤维。3)塔架高度增加)塔架高度增加 4)控制技术发展)控制技术发展5)海上风力发电)海上风力发电84.3 4.3 4.3 4.3 中国风力发电发展中国风力发电发展中国风力发电发展中国风力发电发展4.3.1 4.3.1
11、中国的风能资源中国的风能资源影响中国风能资源的因素:影响中国风能资源的因素:1)大气环流对中国风能的分布的影响)大气环流对中国风能的分布的影响 东南沿海及东海、南海诸岛,风能最丰富,内蒙甘肃北部次之,云南、东南沿海及东海、南海诸岛,风能最丰富,内蒙甘肃北部次之,云南、贵州、四川、甘南、陕南、豫西、鄂西、湘西较小,四川盆地、西双版纳贵州、四川、甘南、陕南、豫西、鄂西、湘西较小,四川盆地、西双版纳最小。最小。2)海陆和水体对风能分布影响)海陆和水体对风能分布影响 3)地形对风能分布的影响)地形对风能分布的影响我国风能资源的特点:我国风能资源的特点:1)季节性的变化)季节性的变化2)地域性的变化)地
12、域性的变化94.3 4.3 4.3 4.3 中国风力发电发展中国风力发电发展中国风力发电发展中国风力发电发展4.3.1 4.3.1 中国的风能资源中国的风能资源中国风能资源的划分标准:中国风能资源的划分标准:区区指标指标丰富区丰富区较丰富区较丰富区可利用区可利用区贫乏区贫乏区年有效风能密度年有效风能密度/(W/m2)200200 150150 5050风速风速3 m/s的年小时数的年小时数/h50005000 4000400020002000占全国面积占全国面积/%8185024 我国风能资源比较丰富的省区我国风能资源比较丰富的省区省区省区风力资源风力资源/万千瓦万千瓦省区省区风力资源风力资源
13、/万千瓦万千瓦内蒙古内蒙古6178山东山东394新疆新疆3433江西江西293黑龙江黑龙江1723江苏江苏238甘肃甘肃1143广东广东195吉林吉林638浙江浙江164河北河北612福建福建137辽宁辽宁606海南海南64104.3 4.3 4.3 4.3 中国风力发电发展中国风力发电发展中国风力发电发展中国风力发电发展4.3.2 4.3.2 离网用户小型风力发电离网用户小型风力发电a.行业发展历程行业发展历程b.1)第一阶段)第一阶段c.老式风车应用阶段(老式风车应用阶段(1949-1959)走马灯式风车在江苏和吉林等地)走马灯式风车在江苏和吉林等地仍在使用。仍在使用。d.2)第二阶段)第
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