风电基础知识(培训)

第一章风能及风能资源一．风的成因风是环绕地球大气层中的空气流动．流动的空气所具有的能量，也就是风所具有的动能，就称为风能．从广义太阳能的观点看，风能是由太阳能转化而来的．来自太阳能的辐射能不断地传送到地球表面周围，因受太阳照射而受热的情况不同，地球表面各处产生了温差，因而产生气压差，由此形成了空气的流动．因此，可以说是太阳把能量以热能的形式传到地球而后又转换成风能的．二风的风类大气环流――地球表面的大气环流是由于太阳辐射及地球自转而引起的．在赤道上，太阳垂直照射，地面受热很强：而在地球两极地区，太阳是倾斜照射的，地面受热则较弱，热空气较冷空气轻，就造成在赤道附近热空气向空间上升，并通过大气层上部流向两极；两极地区的冷空气则流向赤道．由于地球本身自西向东旋转的结果，这种大气环流在北半球产生了东北风，在南半球则产生了东南风，分别称为东北信风和东南信风.海陆风――沿海地球陆地同海上所形成的风向交替的海风与陆风，它们是由于昼夜之间温度变化而造成的．在白日，陆地上接受的太阳辐射热量较海水要强，因而陆地上的空气受热向上流动，而海洋面上的空气较冷，较冷的空气则自海洋流向沿岸陆地，这样就形成了海风；在夜间，陆地上的空气比海洋上的空气冷却要快，这样就造成海洋上的空气上升，而陆地上较冷的空气沿地面流向海洋，形成了陆风.山谷风――山岳地区在一昼夜间风向交替的山风（或称山岳风）与谷风（或称平原风）．谷风的产生是由于日间太阳照射使山坡上的空气温度升高，热空气上升，而地势地处的冷空气则自山谷向上流动，这就形成了谷风；到了夜晚，空气中的热量向高空散发，高空中的空气密度增大，空气则沿山坡向下流动，这就形成了山风．第二章风的描述如上所述，风是由于空气的流动而形成的，因此可被看做是向量，包括空气流动的速度及流动的方向两个要素，也即是风速和风向．对于人类来说，风是最熟悉的自然现象之一，风速与风向在不同的时间（每日每月每年）都有一定的周期性变化．为了估算某一地域的风能资源，必须测量出每日、每月、每年的风速及风向数据，了解其变化的情况。

（一）风速空气在单位时间内所流过的距离称为风速，通常以米／秒作为计量单位。

风速是不稳定的随机量，，甚至在很短的时间内也有很大的变化。

目前国际上对于风力状况进行分析并作为计算风能资源的基本依据是每小时的平均风速．每小时平均风速值可以通过以下方式测算得出：1．将每小时内测的瞬时风速取平均值；2．将每小时最后十分钟内测定的风速取平均值作为每小时的平均风速值（世界气象组织规定采用此法）；3．将每小时内几个瞬间量测的风速值取平均值．我国气象台站给出的每小时平均风速值是按第二钟方式测定的，采用上述后两种方式测量风速时，最大风速度是不可能得到的．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，既：日平均风速值：一个月中各日风速值的平均值；年平均风速值：一年中各月风速值的平均值。

（二）风向地球上某一地域的风向由于其所处地理位置及受地球表面不同情况的影响，是经常变动的。

国际上通用的十六位风向的表示方法是在东单西北四个方向各插入一个方向，组成八个方位，及组成十六个方位，按照在此十六个方位风向出现的频率组成的描述风向变化的图形，称为风向玫瑰图在风玫瑰图中，径向矢量的长度代表该方向的风吹过的时间百分数。

数字则表示该方向的平均风速值。

风玫瑰图既可画成每小时的，也可画成每日每月每年的。

分析一天或一年的风玫瑰图就可了解一天或一年的风向变化情况。

三风沿高度的变化从地球表面到100米高空内，空气流动受到涡流，粘性和地面摩擦等因素的影响，靠近地面的风速较小。

离地面越高则风速较大。

风能的大小与风速的立方成正比，在高空捕获的风能远比地面要大，了解风速沿高度变化的情况，对于选择和确定风力装置离地面的高度非常重要。

四风能密度垂直穿过单位截面的空气所具有的动能称为风能密度。

分为平均风能密度：一定周期内风能密度的平均值称为平均风能密度。

有效风能密度：对应与此一定风速范围内的风能密度称为有效风能密度。

我国有效风能密度对应的风速范围为3—20米/秒。

一般情况下，计算风能密度采用标准大气压下的空气密度。

五风速的频率风布按风速相差1米/秒的间隔观测一定时期内不同风速出现的时数占此一定时期的吹风总时数的百分比称为风速的频率分布。

根据风频风布，我们可较好的了解某地的风况。

第三章风能利用气流和任何运动着的物体一样具有动能，流动着的空气所具有的动能称为风能。

按照空气动力学理论，流动的空气所具有的动能为：W=1/2mv2式中W——流动的空气所具有的动能，千克•米2•秒-2（或焦）；m——流动的空气的质量，千克；v——空气流动的速度，即风速，米/秒。

若设A为与空气流动方向垂直的某一截面的面积（其单位为米2），ρ为空气密度（其单位为千克/米3），则单位时间内穿过截面A的风能为：式中t——时间，秒。

风能属于可再生能源，它和存在于自然界中的燃料能源，如煤、石油、天然气等不同，不会随着它本身的转化（转化为其他形式的能量）和人类的利用而日趋减少，因此可以说是一种取之不尽，用之不竭的能源。

由于煤、石油、天然气等矿物燃料资源的储量随着人们的利用正在日趋减少，同时也由于这些矿物燃料在利用时所带来的环境污染问题，风能利用在70年代又重新受到世界各国的重视和开发推广。

风能除了具有可再生性及无污染的特点外，风能还属于过程性能源，因而具有随机性。

利用风能必须考虑蓄能或与其他能源相互配合，才能获得稳定的能源供应，因为风能是不能直接蓄存起来的，风能只有转换成其他形式的可以蓄存的能量后才能蓄存起来，当然这就增加了技术上的复杂性。

风能的能量密度低是风能的另一弱点，空气的密度仅约为水的1/800，因此风能装置的体积大，耗用材料多，这也是风能利用受到制约的因素之一。

根据不同的需要，风能可以被转换成其他不同形式的能量，如机械能、电能、热能等而加以利用。

80年代以来风能利用的主要趋向是风力发电、风力泵水、风力致热及风帆助航等。

第四章风力发电的发展及现状一风电的发展：人类利用风能的历史可追溯到中世纪甚至更早，最初是将风能转换为机械能，以后则是电能。

我国是最早利用风能的国家之一。

公元1637年明宋应星在《天工开物》一书中记载有：“扬郡以风帆数扇，俟风转车，风息则止”，说明当时已有风车问世。

埃及、荷兰、丹麦等国也都是世界上较早和普遍利用风能的国家，古埃及利用风磨碾磨粮食；荷兰的风车数量是举世闻名的，14世纪荷兰人改善了风车的设计，广泛地利用风车在沼泽地区排水；丹麦是世界上最早利用风力发电的国家，从19世纪末便开始研制风力发电机，大约有3000台工业用风车和30000台其他形式的风车在家庭和农村中使用；美国自19世纪50年代以来全国有600万台小型风车（功率小于1千瓦）用于提水和发电，对美国西部地区的开发起了重要作用。

美国于1941年在佛蒙特州建造了第一台额定容量为1.25兆瓦的大型风力发电机，1941至1945年间运转发电，其后由于叶片折断而停止运转；苏联于1931年在巴塔拉瓦（靠近黑海的雅尔塔）建造了风轮直径为30.48米，塔高30.48米，额定功率为100千瓦的风力发电机组，额定风速约为11米/秒，采用了感应发电机；机组与32公里以外位于塞瓦斯托波尔的20兆瓦容量的火力发电站相联，并通过叶片的桨距控制实现调节。

第二次世界大战后，一些国家（如丹麦等）进行了容量在100千瓦以上的风力发电装置的研究，风力发电的理论逐渐系统化，丹麦的盖瑟机组风轮直径为27米，功率200千瓦，每年可发电40万千瓦•时。

20世纪60年代由于石油价格下降，风力发电处于停滞状态。

1973年以后由于石油危机的冲击及使用煤、石油等矿物燃料发电所带来的环境污染问题，风力发电又重新受到重视。

美国、丹麦、荷兰、英国、德国、瑞典、加拿大等国对风力发电的研究与应用投入了相当大的人力及资金，制订了开发计划，充分利用空气动力学、新材料、计算机、电机及自动控制等领域的新技术研制现代风力发电机及研究其运行技术。

经过十多年的发展，风力发电技术逐渐趋于成熟，建立了评估风力资源的计算机模拟系统，改进了变桨距控制和发展了失速控制风轮机叶片的设计理论，提出和采用了新型叶片材料及翼型，研制了变速恒频发电机及低速发电机，开发了微机控制的风力发电机单机和机群自动控制的技术等，大大提高了风力发电机的效率及可靠性。

在美国、西北欧等工业发达国家发展风力发电主要是建立风电场，到1987年底美国在加利福尼亚州已安装了约16400台不同容量的风力发电机，总装机容量约达140万千瓦，年发电量达17亿千瓦•时。

美国加州风电场每千瓦•时的发电成本已低于核电，接近燃油发电的水平，说明风电已具有与传统常规能源发电竞争的潜力。

截止到1990年底全世界风力发电装机容量达255万千瓦，共计约20430台，平均单机容量为106千瓦（其中美国装机容量为163万千瓦，丹麦为34.3万千瓦，德国为5.5万千瓦，荷兰为4.5万千瓦，印度为3.8万千瓦）。

1990年全世界风力发电量约为35.7亿千瓦•时，其中美国占71%，丹麦占14.6%。

1990年以后并网型风力发电在全世界，特别是欧洲及印度得到了快速发展，到1994年全世界并网风力发电机的装机容量已达到365.1万千瓦，其中美国为171.7万千瓦，德国为64.3万千瓦，丹麦为54万千瓦，荷兰为15.3万千瓦，英国为14.7万千瓦，西班牙为7.2万千瓦，瑞典为3.8万千瓦，希腊为2.8万千瓦，意大利为2.2万千瓦。

欧洲各国的风力发电装机容量的总和已接近美国风力发电的总装机容量。

在亚洲，印度的风力发电装机容量达到18.2万千瓦。

随着技术的不断发展，风力发电机的单机容量逐步加大。

在80年代初，商品风力发电机的单机容量为50千瓦左右，80年代中期为100千瓦左右，到80年代末期已增加到200千瓦左右，进入到90年代以后，容量为300--500千瓦的机组已成为各国建设风电场的主导机型。

按照国际上的规定，单机容量在1000千瓦以上的风力发电机组为大型机组，单机容量愈大，成本越低，经济效益越高，同时可减少风电场占地面积，因此一些工业发达国家也纷纷进行了研究与试制。

大型风力发电机组的研究开发耗资巨大，其长远目标是使之达到能承担部分社会能源的需求。

有的机组在试验运行中出现技术问题后已停止运行。

在风电场的建设中欧洲联盟各国倾向于单机容量为500--750千瓦的机组。

（二）风力发电与其他可再生能源发电成本的比较随着人类在生产及日常生活中对能源需求的不断增长及对环境保护要求的日益提高，利用风能发电和可再生能源中其他能源发电（例如太阳光发电、生物质能发电、太阳热发电、地热发电等）日益受到人们的重视。

到80年代末美国风电场的发电成本已低于核电成本，但仍高于水力发电和燃油或燃煤发电的成本。