可再生能源概论左然第六章-风能-课件PPT

反向，称为反气旋性曲率）时，离心力FC与地转偏向力FA反向。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 。
梯度风
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V 2 2V sin 1 p
r
n
第一项的正负号视流动而定，气旋性取正号，反气旋性取负号。求 解上式，由于V必须是非负实数，便有下面的梯度风公式，并以VC代替 V。
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地球表面风的运行
地球表面的风
在赤道附近，吸收的太阳能比两极附 近多得多。
较轻的热空气在赤道附近上升，并向 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。
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。
地转偏向力的大小与风速和纬度有关。在风速相同的情况下，纬度 越高，地转偏向力越大，在北极最大，在赤道为零。
在同一纬度，风速越大，地转偏向力越大。作用在单位质量空气上 的水平地转偏向力的大小可以表示如下：
北半球地转风方向形成示意作曲线运动时，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。是在转动坐标系中描述物体运动的一种
力。它与空气运动速度的平方成正比，与曲率半径成反比。其大小为：
Fc
V2 r
当曲率中心在气压低的一边（即n的正向，称为气旋性曲率）时，
离心力FC和地转偏向力FA同向；当曲率中心在气压高的一边（即n的
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，因为这种风 从西边吹来，故称之为“西风”。
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海岸风
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。因此，在白天，海 水温度比陆地温度低，而晚上则正好相反。这种温度的差别， 造成了相应的空气流动，称之为“海岸风”。
1 p
FG n
式中ρ是空气密度。当空气受力后，若该处空气密度大，则单位质量 空气受力小；反之若该处空气密度小，则单位质量空气受力大。
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地球自转
地球上气压水平分布不均，造成空气的水平运动。而地球自转使空 气水平运动发生偏向。
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。
风能可以在大范围内无污染地发电，提供给独立用 户或输送到中央电网。
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§ 6.1 风的形成
风能是太阳能的一种形式。太阳光对地球表面不均衡地 加热，造成大气层中温度和压力的差别，风的运动起着减 小这种差别的作用。
当太阳加热地球一面的空气、水面和大地时，地球的另 一面通过向宇宙空间的热辐射而冷却。地球每天在转动， 使其整个表面都轮流经历这种加热和冷却的周期变化。 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。
北半球摩擦层中低压与高压的气流
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§6.2 风能利用简介
人类开发风能的历史
风能最早的利用方式是“风帆行舟”。 公元700年，波斯人建造了竖起转轴的风车 。 1750年，在发明了扇形尾—靠风力自动调准风车的方向。
V 2r sin
这种惯性运动对地球大气是不重要的，它的量很小。
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，这时有：
V r p
n
显然，对旋转风而言，只发生在低压区，但旋衡流动可以是反 时针旋转（气旋性），也可是顺时针旋转（反气旋性）。
（a）白天；
(b) 晚上。
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风的形成机制
气压梯度 地球自转 惯性离心力 惯性运动和旋衡运动 摩擦层中的风
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气压梯度
一般来说，在风能利用中，不考虑风的垂直分量。 空气的流动速度与水平气压差有关，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。考虑单位质量上所 受的力时气压梯度力的大小可用下式表示：
在高压区，反气旋为：
Vc r sin
2r 2 sin 2 r p n
在低压区，反气旋为：
Vc r sin
2r 2 sin 2 r p n
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惯性运动和旋衡运动
所谓惯性运动，是指气压梯度力是零，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。它的曲率半径和速 度都是常数，关系式为：
a白天
b 晚上
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山谷风
1.靠近山坡的冷湿空气团，在白天太阳照射下，被加热的更快。 空气变热后上升，山谷中的冷空气就沿着山坡被抽上去。
2.为了补充山谷中的空气缺失，山谷上方的空气向着山谷下沉， 然后再沿着山坡上升。这就是由这种坡谷之间的温差引起的 “山谷风”。
3.在晚上则发生相反的过程，由于向黑夜天空迅速辐射热量， 山坡附近的空气变冷向山谷下沉，因其逐渐冷却而变得较重， 因而获得了一定的速度。
FA 2V sin
FA:水平地转偏向力，V:风速，ω:地球自转角速度，:纬度
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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，即：
1
p
2V sin
n
用Vg代表V，有：
Vg
1
2 sin
p n
根据气压梯度力与地转偏向力平衡的条件，地转风方向与水平气压 场之间存在一定关系。地转风平行于等压线吹，在北半球，背风而立， 高压在右，低压在左。南半球相反，背风而立，高压在左，低压在右。
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摩擦层中的风
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。摩擦层中， 不论等压线是直线还是曲线，风与等压线总是有交角的。 低气压中的空气，反时针方向流动（北半球），气流向气 压中心汇集；高压中的空气，顺时针方向流动，气流向外 发散 （如下图所示）。
第六章 风 能
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风能介绍
风能是人类社会开发出的第一种非动物源的能源。 几千年来，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。从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 成本已经接近化石燃料发电成本，这种技术还处在 继续发展中。