第4章 风能利用技术风能环保厕所

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风能环保厕所,嘉禾风能设备,风能热泵噪音　　左然，施明恒，王希麟. 可再生能源概论. 机械工 业出版社. 2008 张希良. 风能开发利用. 化学工业出版社. 2005

　　风能环保厕所,嘉禾风能设备,风能热泵噪音刘万琨，张志英，李银凤. 风能与风力发电技术. 化学工业出版社. 2006

　　风能一直被用来作为碾磨谷物、抽水、船舶等机 械设施的动力 自从十九世纪末，人们开始尝试用风能来发电， 并且取得了成功

　　1980年代开始大批量地制造用来发电的大型风机, 制造费用持续稳定地下降。风电成本正在接近化 石燃料发电成本，这种技术还处在继续发展中

　　地球轴线相对于绕太阳公转轴的倾斜角度，造成了地球表面加热能量 的区域性和季节性变化 较轻的热空气在赤道附近上升，向两 极运动；较重的冷空气作为替代，从 两极沿地面移向赤道 地球自西向东自转，在赤道上升的气 流将获得比从极地下降的气流更大的 惯性旋转速度。因此在北半球，向北 运动的空气折而朝东，向南运动的空 气折而朝西 当向北运动的空气到达北纬30度时， 它几乎已经折向正东方了，“西风”

　　陆地的热容较小，所以陆地在太阳照射时温度升高和晚上因向夜空辐 射引起的温度下降都比海洋快 在白天，海水温度比陆地温度低，而晚上则正好相反 温度的差别，造成了相应的空气流动，称之为海岸风

　　靠近山坡的冷湿空气团，在白天太阳照射下，被加热的更 快，这就是由这种坡谷之间的温差引起的“山谷风” 在晚上则发生相反的过程

　　气象站所测的是风的水平分量，风的垂直分量数 值很小，对于天气尺度运动，特征尺度 1000、 1cm/s，在风能利用中，不考虑风的垂直分量 在气压的作用下将使空气以最直接的路径从高压 向低压运动 气压梯度：沿垂直于等压线方向的法线n上度量得 到的单位距离内气压的降低

　　地转偏向力只是在空气相对于地面运动时才产生，空气相对于地面静 止时，没有地转偏向力

　　地转偏向力的方向始终和空气运动的方向垂直，在北半球它指向空气 运动方向的右方，使空气的运动向右偏转，但它并不能改变空气运动 的速度大小 单位质量空气上的水平地转偏向力

　　如果空气在水平面上作无摩擦的直 线运动，气压梯度力和地转偏向力 处于平衡状态时

　　当空气作曲线运动时，作用于空气的力，除了气压梯度力和地转偏向 力以外，还有惯性离心力 V2

　　水平气压梯度力，离心力和水平地转偏向力三力达成平衡时的流动， 称为梯度风

　　惯性运动：气压梯度力是零，地转偏向力与离心力平衡情 况下的运动 它只能产生于反气旋圆形路径运动中 V ? ?2?r sin ?

　　如果运动的水平尺度很小，这时地转偏向力比起气压梯度 力和离心力来，可以忽略不计。这时气压梯度力和离心力 平衡，便称为旋衡运动

　　在近地面1～2公里的摩擦层中，空气的运动除了受气压梯 度力，地转偏向力和离心力的作用外，还受到地面摩擦力 的影响 它和风速的大小、地面粗糙度有关。由于摩擦的存在，风 速比气压场所应有的梯度风速小，风向偏向于低压一方 摩擦力随着高度增加而减小：离地面越远，风速越大，风 与等压线的交角越小；某一高度，大气摩擦力可以忽略， 风速接近气压场相应的地转风风速值，风向也基本平行于 等压线，这个高度称为梯度风高度 目前风能的利用还局限于摩擦层中

　　公元700年，波斯人建造了竖起转轴的风车用来带动石磨 1750年，发明了扇形尾—靠风力自动调准风车的方向 在蒸汽机出现之前，风力机械曾是主要的动力机械。 在19世纪末，丹麦人首先研制了风力发电机 1973年西方发生石油危机以来，风能又重新受到了重视 预计到21世纪中叶，风能将会成为世界能源供应的支柱之一，成为人 类社会可持续发展的主要动力源 我国

　　商代，出现帆船 唐代：乘风破浪会有时，直挂云帆济沧海 14世纪中叶，郑和7下西洋

　　美国农场风车 以风作为动力的泵水方法使用了 压缩空气来将风的能量传递到使 用地点

　　力机通过传动机构驱动挤压液体式致热设备（用搅拌液体致热或固体 摩擦致热设备也可以），得到的热水流入金属盘管换热器内，利用风 扇将空气吹入干燥仓底部，并自下而上流动，流经金属盘管换热器后， 冷空气变成了暖风，穿过钢丝筛网吹入待干燥的玉米棒层。具有一定 流速的暖风能较快地把潮湿的玉米干燥好。

　　蓄电池充电——主导，风力发电 机的转子直径通常小于5m，而且 其额定功率低于1000W 边远地区提供电力 给水加热 边远地区的其它使用

　　风力田：在一个场地上，安装几十台到几百台中型风力发 电机群，联合向电网供电的系统,50-500kW

　　并网的风电系统的风电机组直接与电网相连接。由于涡轮 风机的转速随着外来的风速而改变，不能保持一个恒定的 发电频率，因此需要有一套交流变频系统相配套

　　由于风电的输出功率是不稳定的，为了防止风电对电网造 成的冲击，风电场装机容量占所接入电网的比例不宜超过 5%-10%，这是限制风电场向大型化发展的一个重要的制约 因素。而且由于风电输出功率的不稳定性，电网系统内还 需配置一定的备用负荷

　　? 巴林世界贸易中心 ? 高240米，三座涡轮机是 由双子塔之间30米的桥梁 支撑，每个直径29米 ? 提供11%~15%的电力， 合每年1100~1300MWh ? 美国风能穹顶 ? 提供阴凉休憩 ? 密密麻麻的涡轮还能够 通过风能来发电供应穹 顶内部的各项用电需求

　　? ? 7层，上6层可以随风转动，发电为夜间照明 随喜好自行操控，改变朝向、温度和景色等

　　理论上风从高压区吹向低压区，但在 中纬度和高纬度地区，风向还受地球 自转的影响，结果风向与等压线平行 而不是垂直。在北半球，风以逆时针 方向环绕气旋（低压）区，而以顺时 针方向环绕反气旋（高压）区。在南 半球则方向相反

　　风玫瑰：观测资料表明风向总是沿一条中间轴线波动。利用各个地方 每日的记录，可画出一幅极线图，各方向辐射线的长度代表相应风向 频率的大小

　　风的大小用风速来衡量，风速是单位时间内空气在水平方向上移动的 距离 测量风速的仪器，有旋转式风速计、散热式风速计和声学风速计等 瞬时风速与平均风速

　　i）将每小时内测量的瞬时风速取平均值。 ii）将每小时最后10min内测量的风速取平均值作为每小时的平均风速值（世界气

　　以每小时平均风速值为基础可以计算得出每日、每月、每年的平均风 速值，其中，日平均风速值为一昼夜（24h）中各小时风速值的平均 值；月平均风速值为一个月中各日风速值的平均值；年平均风速值为 一年中各月风速值的平均值

　　对于离地面100米以下的区域，风速随高度的变化主要取决于地面粗 糙度，可用地面粗糙度α代替指数n

　　风级是根据风对地而或海面物体影响而引起的各种现象， 按风力的强度等级来估计风力的大小 3 蒲福风级：18级，常用0-12级

　　风能的利用主要就是将它的动能转化为其它形式的能。气 流的动能Ek（J） 1 Ek ? mv 2 2

　　考虑气流以速度为v，垂直流过截面积为A的假想面，在时 间t（以秒为单位）内流过该截面气流的质量 1 3 m ? ?V ? ? Avt Ek ? ? v At 2 单位时间内流过该截面的风能，即为风功率 1 3 W ? ?v A 2

　　风力机械的最终输出的功率与风所真正具有的功率相比较， 是大大减小了。在实践中，效率E的数值通常在0.10-0.50

　　没有轮毂 具有无限多的叶片 气流通过风轮时没有阻力 气流经过整个扫掠面时是均匀的 气流通过风轮前后的速度为轴向方向

　　贝兹理论的极限值 风力机从自然风中索取的能量是 有限的，其功率损失部分为留在 尾流中的动能

　　P——风力发电机的输出功率，kW； ρ——空气密度，kg/m3； D——风力发电机风轮直径，m； v——场地风速，m/s； Cp——风轮的功率系数，一般在0.2～0.5之间，最大为0.593； ηt——风力发电机传动装置的机械效率； ηg——发电机的机械效率。

　　风力发电机的输出功率曲线是风力发 电机的输出功率与场地风速之间的关 系曲线 根据场地的风能资料和风力发电机的功率输出曲线，可以对 风力发电机的年发电量进行估算 1）根据安装场地的风速资料，计算出从风力发电机的启动 风速至停机风速为止全年各级风速的累计小时数；

　　2）根据风力发电机的功率输出曲线，计算出不同风速下风 力发电机的输出功率 Q ——风力发电机的发电量，kWh；

　　Pv——风速v下，风力机输出功率，kW； PT T ——场地风速v的年累计小时数； V0 v v v Vo ——风力发电机的起动风速，m/s； V1 ——风力发电机的停机风速，m/s。

　　1981年，世界气象组织（WMO）主持绘制了一 份世界范围的风能资源图 给出了不同区域的平均风速和平均风能密度。但 由于风速会随季节、高度、地形等因素的不同而 变化，因此各地区风的资源量只是一个近似评估

　　根据风能资源图的估计，地球陆地表面中27%的 面积平均风速高于5m/s（距地面10m处）

　　注：根据地面风力情况将全球分为8个区域（中国不算作一个独立区域），面 积单位为103km2，比例以百分数表示。3级风力代表离地面10m处的年平均风速 在5～5.4m/s；4级代表风速在5.6～6.0m/s；5～7级代表风速在6.0～8.8m/s。

　　风能资源储量估算值是指离地10m高度层上的风能资源量， 而非整层大气或整个近地层内的风能量 方法：先在该地区年平均风功率密度分布图上划出10W/m2、 25 W/m2、50 W/m2、100 W/m2、200 W/m2各条等值线，根 据各区域的平均风功率密度和面积，再假设风能转换装置 的风轮扫掠面积，便能计算出该区域内的风能资源储量 中国10m高度层理论可开发总量32.26亿kW，实际可开发量 按10%考虑，并考虑风能转换装置风轮实际扫描面积，再 乘以面积系数0.785，可开发利用的风能储量为2.53亿kW。 这个值不包括海面上的风能资源量

　　特别是东南沿海及其附近岛屿，不仅风能密度大，年平均风速也高， 发展风能利用的潜力很大 内陆地区，从东北、内蒙古，到甘肃河西走廊及新疆一带的广阔地区， 风能资源也很好。华北和青藏高原有些地方也能利用风能。 风电场分为三类：年平均风速达6m/s时为较好；7m/s为好；8m/s以上 为很好。我国现有风电场场址的年平均风速均达到6m/s以上 沿海水深在2～10m的海域面积很大，而且风能资源好，靠近我国东 部主要用电负荷区域，适宜建设海上风电场

　　风能分布具有明显的地域性规律，这种规律反映 了大型天气系统的活动和地形作用的综合影响 根据年有效风能密度和年风速大于等于3m/s风的 年累积小时数的多少，将全国分为4个区

　　云贵川和南岭山地区 雅鲁藏布江和昌都区 塔里木盆地西部区 41 / 76

　　1.水平轴型风力机 绝大多数水平轴型风轮机拥有两个或三个叶片，少数拥有多个叶片 现代低容积比水平轴型风轮机是从传统的风车演化而来，它们是目前 用的最广的的风轮机类型

　　现代垂直轴型风力机来源于法国工程师达里厄 好处：能够利用来自各个方向的风，传动系统等接近地面，结构简单， 便于维护 缺点：叶尖速比低，不能自起动，一旦停止，需要额外系统施加推力 来起动它；叶片不得不经过一些空气动力死区，效率不高；控制不当， 叶片可能会超速危险运行导致系统损坏；需要使用张紧的拉索固定塔 架结构，这在实际应用上存在困难 ? 萨渥纽斯叶轮

　　风力发电机一般由 风轮（转子）、齿 轮箱、发电机、调 向器（偏航系统）、 机舱、塔架、限速 安全机构和储能装 置等构件组成

　　a）杠杆式：多用于大 型风车 b）圆锥式：用于顺风 风车 c）万向节式 d）三元万向节式 e）无铰链式

　　支撑机构；大风力机通常采用管式塔架张紧索；注意雷击 费用约占整个机组的30%，小型风车所占比例还要高，甚至接近50%

　　同步交流发电机：效率高，低风速下比直流发电 机发电多，能适应较宽的风速范围；成本高；小 功率风力发电机

　　限速安全机构：使风轮的转速在一定的风速范围 内保持基本不变 制动装置：风速过高时，使风轮停转

　　通过晶闸管控制的软并网装 置接入电网，冲击电流较大 需要电容无功补偿装置

　　通过调整转子回路的电阻， 调节发电机的转差率 通过双向变频器与电网连接， 实现功率的双向流动 通过调整转子电流频率，实 现恒频控制 取消了增速齿轮箱，采用风 力机对同步发电机的直接驱 动方式 提高了风电转换效率、降低 了噪声，减少了故障

　　必须避免叶片的共振 必须提高叶片扭曲的刚度，并使扭曲中心线保持在顺桨轴上 使叶片的输出功率系数避开失速区域 ，避免选用容易失速及输 出功率系数急剧下降的叶形

　　防振措施有：提高塔架的刚性，架高拉索，并使塔架上部 的重物集中。为了防止圆筒形塔架产生周期性的卡门旋涡， 应使圆筒表面粗糙化，使之能抑制有规律的大的涡流

　　当风车用于驱动水泵和压缩机等工作机械的时候，即使风 车的转速发生变化，问题也不大。但当用大型风车驱动交 流同步发电机的时候，就要采用倾角可变机构，使风轮的 转速保持稳定 风轮的转速大致与风速成正比，与直径成反比。强风对小 型风车危害更大 典型的转速控制方式有：侧叶式、偏向式、阻抗翼式、圆 锥式、百叶窗式、悬锤式、可变倾角式、阻流板式等 必须确认风轮上各个叶片以及叶片控制装置连结的安全性， 使所有叶片能同时动作

　　垂直轴式风车能利用 来自各个方向的风， 它不受风向的影响 水平轴螺旋桨式或多 叶式风车，为了能有 效地利用风能，应该 经常使其旋转面正对 风向 水平轴式风车都装有 转向机构

　　首先应该考虑当地的能源市场的供求、负荷的性质和每昼 夜负荷的动态变化； 再根据风资源的情况选择有利的场地，以获得尽可能多的 发电量 考虑到风力发电机安装和运输方面的情况，以尽可能地降 低风力发电成本 理想的风力发电场址一般具备的条件

　　风能资源丰富：我国气象部门规定，3-20m/s风速的吹刮时间 2000-4000h；6-20m/s风速的吹刮时间500-1500h 具有较稳定的风向 风力发电机尽可能安装在风向比较稳定，季节变化比较小的地方 湍流小 自然灾害小：强风、冰雪、盐雾

　　以风力机安装位置为中心、1km为半径的范围内，不应有 障碍物，特别是最多风向的上风侧不应有障碍物出现 如果在设置场所的范围内有障碍物出现，则风力机塔架的 高度应在障碍物高度的三倍以上

　　坡度平滑的小山上或者在湖泊或海中的小岛上 风力机装在完全没有山的平原上，应增加塔架的高度 将安装位置选择在海岸边的坡度平滑的小山上，特别是当 风由海上吹来时，可获得满意的效果

　　把风力机装在能形成渐缩形 通道的山口或峡谷口，可使 风速大大增加，是较理想的 地方

　　如果把位置选择在内陆的小 山上，而在它周围很近的距 离内环绕着相同高度的山或 高地，得到的将是低的名义 风速和湍流气流

　　大面积高地或非常峻峭的悬 崖上面，通常会形成旋涡气 流，对风力机的安装不利

　　一台风力机的使用寿命中，产生的能量大约是消耗能 量的80倍 风机的噪音：机械噪声 空气动力学噪声：叶片与空气的作用 风机引起的电磁干扰 视觉影响 风力机和鸟：每台风力机平均会造成1-2只鸟死亡 其他的环境因素：安全性、遮蔽闪光和对植物和动 物可能造成的影响

　　1973年以后，空气动力学、结构力学和材料科学等领域的 发展，开创了风能利用的新时期 自20世纪90年代中期以后，世界风电装机年平均增长率超 过30%，发电量由1996年的122亿度增加到了2003年的822 亿度，风电比重也增加了4倍多 世界风力发电成本下降迅速，从1983年的15.3美分/度，下 降到1999年的4.9美分/度 根据2004年“风力12（Wind Force 12）”发表的2005～ 2020年世界风电和电力需求增长的预测报告，2010年风电 装机1.98亿千瓦，风电电量0.43×104亿度，2020年风电装 机12.45亿千瓦，风电电量3.05×104亿度，占当时世界总 电消费量25.58×104亿度的11.9%。

　　目前我国的风能利用与国际水平还有一定差距，主要表现 在风力发电与发达国家相比仍较低，大型风力发电设备国 产化水平低，技术人才奇缺等 目前我国风电场造价约8000～10000元/kW，其中机组占 总投资的75%～80%。与造价约4000元／kW的常规能源 电厂相比，风电场的造价大约高出1倍 我国大型风电机组大部分依赖进口，设备价格高，只有逐 步实现国产化，才能把风电场造价降下来。我国风电场年 利用小时数一般为2700h，一些地方可达到3200h，因而 风电成本为0.45～0.70元/(kW· h)，比常规能源发电约高出 1倍

　　风电机桨叶的变化：单机容量不断增大，桨叶的长度不断增长，目前 2MW风机叶轮扫风直径已达72m。目前最长的叶片已做到50m；叶 片数量从2个增加到3个

　　控制技术的发展 ：随着电力电子技术的发展，近年来发 展了一种变速风电机，取消了增速齿轮箱，发电机轴直接 连接到风力机轴上。其转子的转速随风速而改变，其交流 电的频率也随之变化，经过置于地面的大功率电力电子变 换器，将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电 网同频率的交流电输出

　　风速6.7m/s，变速风电机比恒速风力机多捕捉15%的风能；而且 机舱质量减轻

　　海上风力发电 ：海上风速较陆上大且稳定，一般陆上风 电场平均设备利用小时数为2000h，好的为2600h，在海 上则可达3000h以上