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1、1风能知识培训风能知识培训2培训内容1 风能资源2 风力发电机31风能资源风能资源1 1、风的形成和特征、风的形成和特征q1.11.1风的形成风的形成q1.21.2风的特征风的特征2 2、风的测量和测风塔的布置、风的测量和测风塔的布置3 3、风能资源、风能资源q3.1风能资源的计算q3.2风能资源的分布4 4、风能资源评价、风能资源评价q4.1气象站资料q4.2观测数据资料q4.3风能要素评价q4.4软件介绍4 风向风向指风的来向。我国风向指风的来向。我国风向观测用十六个方位表示，实际测观测用十六个方位表示，实际测风报告中还常用风报告中还常用0-3600-360范围内的范围内的数字表示风向。数
2、字表示风向。风速风速单位时间内空气移动单位时间内空气移动的距离。气象上对风速还作以下的距离。气象上对风速还作以下定义：定义：平均风速，瞬时风速、最平均风速，瞬时风速、最大风速、极大风速。大风速、极大风速。1.1 风的形成风的形成 风风空气的流动现象。风是一个矢量，用风向和风速表示。空气的流动现象。风是一个矢量，用风向和风速表示。5大气环流大气环流 风在地表上形成的根本原因是太阳能量的传输，由于地球是一个球体，太阳光辐射到地球上的能量随纬度不同而有差异，赤道的低纬度地区受热量最多，极地和高纬度地受热量少，因而造成太阳对地球表面的不均匀加热，从而导致地面上空大规模的大气运动，也即总的大气环流。1.
3、1 风的形成风的形成6 季风环流季风环流 季风现象：在一个大范围地区内其盛行风向或气压系统有明显的季度变化。我国是一个典型的季风气候国家。季风环流是季风气候的主要反映。季风环流的形成主要原因是由于海陆分布的热力差异及行星风带的季节转换所形成的。1.1 风的形成风的形成7 季风环流季风环流(续续)我国的季风，冬季主要在西风带影响之下，盛行西北气流。夏季西风带北移，南方为大陆热低压控制，副热带高压从海洋移至大陆，我国流场转为西南气流，春秋则为过渡季节。此外，海陆分布，青藏高原对我国季风环流也产生重要影响。冬季，大陆高压气压梯度强大，而夏季热低压的气压梯度较弱，因而我国夏季风比冬季风弱，这是我国季风
4、的重要特征。我国的风场特征，必须注意到季风环流这一重要的背景，无论风电场的选址或运行，季风特征必须认真考虑。1.1 风的形成风的形成8 局地环流局地环流 海陆风海陆风 由于海陆表面受热不均而形成的白天由海面吹向陆面，夜间由陆面吹向海面的风。白天陆面增热比水面块，水平温度梯度由陆面指向水面，水平气压梯度由水面指向陆面，故在近地层产生由水面吹向陆面的向岸风，称为海风。夜间，陆面冷却比海面快，出现由陆面吹向水面的离岸风，称为陆风。9 局地环流局地环流 山谷风山谷风 在山区，由热力原因引起的白天由谷地吹向山坡、夜间由山坡吹向谷地的风。前者称为谷风，后者称为山风。日出后，山坡增热较快，温度高于山谷上方同
5、高度的空气温度，水平温度梯度由山坡指向谷中，坡地上的暧空气不断上升，并从山坡流向谷地上方，谷底的空气则沿山坡向上补充流失的空气，故在山坡和山谷间产生热力环流，这时由山谷吹向山坡的风，称为谷风。10q 我国天气气候 寒潮路径 我国对形成风资源贡献最大的天气系统是冷空气的活动，其我国对形成风资源贡献最大的天气系统是冷空气的活动，其中寒潮则是冷空气活动中强度最大的。因此，寒潮的路径很大程中寒潮则是冷空气活动中强度最大的。因此，寒潮的路径很大程度上反映了我国风能资源集中的地区。度上反映了我国风能资源集中的地区。1、风的形成风的形成11q 我国天气气候我国天气气候台风路径台风路径1、风的形成风的形成12
6、寒潮出现频数及路径图1314 受下垫面的强烈影响，具有明显的湍流特性。在各项作用力中，湍流粘性力起重要作用，气压梯度力和地转偏向力可以略而不计。由于下垫面作用，风速等气象要素具有很大的铅直梯度和明显的日变化。在近地层中，风具有明显的阵性，其速度是脉动的。可以近似处理为近地风速由一个平均分量和脉动分量组成，即：式中 为平均风速，为脉动风速。1.2 风的特性风的特性r近地层风的特性近地层风的特性15r 平均风速平均风速 平均风速随高度变化平均风速随高度变化 在近地层中，风速随高度有显著的变化。造成风在近地在近地层中，风速随高度有显著的变化。造成风在近地层中的垂直变化的原因有动力因素和热力因素，前者
7、主要来层中的垂直变化的原因有动力因素和热力因素，前者主要来源于地面的磨擦效应，后者主要表现为与近地层大气垂直稳源于地面的磨擦效应，后者主要表现为与近地层大气垂直稳定度的关系。定度的关系。此式通称为指数公式。此式通称为指数公式。为风速随高度变化系数；为风速随高度变化系数；u u为为高度高度Z Z上的风速。上的风速。风速垂直变化取决于风速垂直变化取决于值。值。值的大小反映风速随高值的大小反映风速随高度增加的快慢，度增加的快慢，值大，表示风速随高度增加的快，即风速值大，表示风速随高度增加的快，即风速梯度大；梯度大；值小，表示风速随高度增加的慢，即风速梯度小。值小，表示风速随高度增加的慢，即风速梯度小
8、。值的变化与地面粗糙度有关。值的变化与地面粗糙度有关。1.2 风的特性风的特性16 地面粗糙度影响地面粗糙度影响 由于地面粗糙度的不同，对气流产生的摩擦粘性力也不同，在近地层中风随高度的变化速度也将不同，反映在低层的风速廓线有很大不同。在粗糙下垫面上空的风随高度逐渐达到梯度风速的距地面高度要比光滑下垫面达到梯度风速的高度大得多，表现在风随高度变化的幂将数粗糙地面比光滑下垫面要大。此外，粗糙下垫面上空风的湍流度也比光滑下垫面上空风的湍流度大，对风机的运作带来不好的影响。r 地貌、地形对风特性的影响地貌、地形对风特性的影响1.2 风的特性风的特性17 我国一些标准中将地面粗糙度分成四类：我国一些标
9、准中将地面粗糙度分成四类：A A类类 近海海面、海岛、海岸、大湖湖岸及沙漠近海海面、海岛、海岸、大湖湖岸及沙漠地区地区 B B类类 田野、乡村及房屋比较稀疏的乡镇及城郊田野、乡村及房屋比较稀疏的乡镇及城郊 C C类类 密集建筑群的城市市区密集建筑群的城市市区 D D类类 密集建筑群且房屋较高的城市市区密集建筑群且房屋较高的城市市区18不同下垫面上空风廓线r 地貌、地形对风特性的影响地貌、地形对风特性的影响1.2 风的特性风的特性19 局地地形影响 风在局地地形下会发生很大改变，例如在山谷地形下，与盛引风向一致的山谷会加大流速等。风的特性在局地地形下也会发生很大变化。可见，在局地地形下，需要慎重
10、考虑风机的排位，要避开不利的地形区域，利用地形作用产生的有利风机的特定区域。r 地貌、地形对风特性的影响地貌、地形对风特性的影响1.2 风的特性风的特性20r 地貌、地形对风特性的影响地貌、地形对风特性的影响1.2 风的特性风的特性21r 地貌、地形对风特性的影响地貌、地形对风特性的影响1.2 风的特性风的特性22r 气象站统计历年平均风速气象站统计历年平均风速1.2 风的特性风的特性23r 某风场平均风速年变化某风场平均风速年变化1.2 风的特性风的特性24r 某风场典型日变化某风场典型日变化1.2 风的特性风的特性252、风的测量、风的测量 按照“风电场风能资源测量方法”标准规定，风电场风
11、的测量包括：逐时10分钟平均风速 每日极大风速 风的湍流强度 风向等。26r 测风设备测风设备27 风电场测风塔设置地点同样应设在能代表本风电场范围风况的地方，在未来拟布风机的地区设置主塔1-2座，在风场范围四个（至少二个）边缘各设一个辅助塔。观测塔主塔要求设置4-5层测风，从10米到风机轮毂高度配置（目前需到70米），辅助塔可以设10、20、40米高度三层。需要时还可设若干10米测风杆以辅助测量。2、风的测量、风的测量28风能公式（单位：风能公式（单位：W W）式中：为空气密度，单位kg/m3 V为风速，单位m/s F是气流通过的面积，单位m2评价一地风能资源潜力，常用风功率密度：单位：W/
12、m23、风能资源、风能资源r 3.1风能资源的计算风能资源的计算29 风能资源的统计计算 一段时间长度T内的平均风功率密度 若知道了风速V的概率分布P（V），通常采用威布尔分布（weibull）作为风速的概率分布，即 如上所述，估计了参数c、k后，即可用下式估算平均风功率密度：3、风能资源、风能资源r 3.1风能资源的计算风能资源的计算30全球风能资源的分布 世界气象组织（）对全球风能资源进行了评估，并给出了全球风能资源分布图。评估报告将作球风能分成10个等级（表），就全球而言，在10米之处，密度150-200W/m2的风能作为有利用价值的风能，全球约有三分之二的地区能够达到。r 3.2 风能
13、资源的分布风能资源的分布3、风能资源、风能资源31高度 10m 50m 风能密度（下限）W/m2 风速（下限）m/s风能密度（下限）W/m2 风速（下限）m/s 11004.42005.621505.13006.432005.64007.042506.05007.553006.46008.064007.08008.878008.8160010.18120010.1240012.79160011.1320014.010160011.1320014.0风能等级表 r 风能资源的分布风能资源的分布4、风能资源、风能资源32 我国风能资源的分布 我国在上世纪八十年代对全国风能资源进行了全面的普查，作出
14、了我国第一份风能资源分布图r 风能资源的分布风能资源的分布4、风能资源、风能资源33我国风能资源分布图 341000小时以下1000-2000小时2000-3000小时3000-4000小时4000-5000小时5000-6000小时6000小时以上3536全国平均风能密度图 373、风能资源、风能资源r 3.2我国风能资源的分布我国风能资源的分布38 地形、地貌对风能资源分布的影响 除大气环流总的作用外，局部地形地貌则可以加强和减弱风的大小和方向。地形影响可归纳为：（1）山脉的影响 （2）拔海高度的影响 （3）其它中小地形的影响3、风能资源、风能资源r 3.2 我国风能资源的分布我国风能资源
15、的分布39风资源是评估风电场好差的标准风资源是评估风电场好差的标准国际和国内风电场评估标准(GB/T 18710-2002)风电场等级10m50m并网风发电风功率密度年平均风速(m/s)风功率密度年平均风速(m/s)1234567 100 4.4 200 5.6 1001505.1200300 6.4 1502005.6300400 7.0 较好较好 2002506.0400500 7.5 好好 2503006.4500600 8.0 很好很好 3004007.0600800 8.8 很好很好 4005009.48002000 11.9很好很好3级以上才达到建立风电场的基本条件、风电场的特性、
16、风电场的特性r 风资源丰富的判别标准风资源丰富的判别标准404、风能资源评价、风能资源评价r 气象站资料气象站资料气象站的位置，测风塔周边地形地物的分布，历史沿革。气象站地形、地貌、海拔高度等与风场的比较气象站的选择气象站历年测风数据，历年变化，代表年年际变化依据风电场风能资源评估方法（GB/T 18710-2002）要求，长期测站宜具备以下条件才可将风场短期数据订正为长期数据：a)同期测风结果的相关性较好；b)具有30年以上的规范的测风记录；c)与风场具有相似的地形条件；d)距离风场比较近。414、风能资源评价、风能资源评价r 测风塔和测风数据测风塔和测风数据测风塔 测风塔在风场的位置，座数
17、，以及每座测风塔的代表性测风数据 10m高和轮毂高度处的数据，数据的完整率，风场区域的代表性。424、风能资源评价、风能资源评价空气密度：标准空气密度，风场空气密度风切变指数：下垫面粗糙度、风电机组轮毂高度处、负切变434、风能资源评价、风能资源评价r 湍流强度湍流强度测风测风塔塔平均湍流平均湍流强强度度风风速速为为15m/s时时的湍流的湍流强强度度70m0.130.0950m 0.130.1110m 0.170.14444、风能资源评价、风能资源评价r 年平均风速和风功率密度年平均风速和风功率密度高度高度(m)分类分类平均风速平均风速平均风功率密度平均风功率密度（W/m2）风速小时数风速小时
18、数(m/s)=0.9623(kg/m3)(h)70全年全年7.4329.587844.0m/sv25.0m/s8.3387.5742550全年全年7.3309.687844.0m/sv25.0m/s8.2365.2738910全年全年6.1186.987844.0m/sv25.0m/s7.2245.76570454、风能资源评价、风能资源评价r Weibull分布分布A：尺度参数k：形状参数U：平均风速P：平均风功率密度46r 风速、风能频率分布风速、风能频率分布474、风能资源评价、风能资源评价r 风速、风能频率分布风速、风能频率分布功率曲线上有每个风速段对应的输出功率。风频分布图上有每个风
19、速段对应的年出现小时数（或百分比）每个风速段的功率（kW）和年出现小时数（h）的乘积（kWh）是该风速段的年理论发电量。各风速段的年理论发电量累加后，再乘以各种损失系数（合计结果约70-80%），得到该机组估算年发电量。484、风能资源评价、风能资源评价r 风向变化、风能变化风向变化、风能变化风向 风能494、风能资源评价、风能资源评价r 风电场风电机组安全等级风电场风电机组安全等级根据风力发电机组 安全要求GB1845.1-2001及IEC 61400-1-2007：Wind turbine-part 1：Design requirements的规定，依据风电场的50年一遇最大或极大风速的大
20、小，将风电机组分为IIV类及特定的S类，不同等级的风电机组适应不同的气候特征。对某一风电场来说，如果选用的风电机组安全等级过高，则会造成风能资源及投资的浪费，如果安全等级过低，则可能影响风机的寿命，严重的还会影响到风电场的安全，因此，合理的确定风电场的安全等级是风机选型的首要工作。504、风能资源评价、风能资源评价r 风电场风电机组安全等级风电场风电机组安全等级51524、风能资源评价、风能资源评价r 50年一遇风速年一遇风速 为准确确定风电场的安全等级，应采用多种方法进行风电场50年一遇最大或极大风速的计算（包括不限于）：采用附近气象站的长期历年最大风速资料进行频率计算，并通过风电场现场实测
21、资料与气象站资料的相关关系推算风电场的50年一遇最大或极大风速；将全国基本风压分布图推算风电场的50年一遇最大或极大风速的结果作为参考；利用WAsP Engineering 2.0进行50年一遇极大风速计算。534、风能资源评价、风能资源评价r 4.4 软件介绍软件介绍Symphonie Data Retriever：NRG测风塔数据整理，输出Windographer：测风数据处理，各种图表WAsP：线性模型Windfarm：线性模型，风机自动排布WindPRO：WAsP扩展，测风数据自动处理，发电量测算WindSIM：CFD模型，开放，需要较高的专业知识WT：CFD模型，封闭，操作性好，多测
22、风塔联合计算542 风力发电机组2.1、发电原理2.2、风机分类2.3、风机构造552.1 发电原理562.2 风机分类风力发电机多种多样，但归纳起来可分为两类：水平轴风力发电机，风轮的旋转轴与风向平行；垂直轴风力发电机，风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向。水平风机：下风向、上风向；齿轮箱升速、直驱；变浆、变速；定速型和变速型；异步和同步等等。5758垂直轴风力机垂直轴风力机的转轴垂直于地面。优点：可以吸收来自任意方向风的能量，不需要调向机构齿轮箱和发电机可以安装在地面，结构简单，维护方便59垂直轴风力机缺点：最大功率系数较低要在相对较低的尖速比下运行不能自行启动大型垂直轴风力机的气弹性问题和
23、机械振动问题也较为复杂6061垂直轴风力机D=64 mD=64 m，4200 kW 4200 kWD=10 m D=10 m，20 kW20 kW 62水平轴风力机水平轴风力机的转轴平行于地面。优点：最大功率系数较高在较高的的尖速比下运行通过叶片失速或变桨矩可控制高风速下的功率输出63水平轴风力机缺点：需要调向机构齿轮箱和发电机安装在位于塔顶的机舱内，安装维护不方便64水平轴风力机65水平轴风力机5兆瓦风力发电机1.2兆瓦直驱式风力发电机66水平轴风力发电机组按风力机功率调节方式可分为：水平轴风力机定桨距失速型风力发电机组变桨距失速型风力发电机组变速恒频型风力发电机组67三 风机结构6869定
24、桨距失速型风力发电机组 定桨距失速型风力发电机组通过风轮叶片失速来控制风力发电机组在大风时的功率输出，通过叶尖扰流器来实现极端情况下的安全停机问题。70变桨距失速型风力发电机组 变桨距失速型（主动失速型）风力发电机组在低于额定风速时通过改变桨距角，使其功率输出增加，或保持一定的桨距角运行；在高于额定风速时通过改变叶片桨距角来控制功率输出，稳定在额定功率。71变速恒频型风力发电机组 变速恒频型风力发电机组的风轮叶片桨距角可以调节，同时发电机可以变速，并输出恒频恒压电能。在低于额定风速时，它通过改变风轮转速和叶片桨距角使风力发电机组在最佳尖速比下运行，输出最大的功率；在高于额定风速时通过改变叶片桨
25、距角使风力发电机组功率输出稳定在额定功率。72 变桨距失速型风力发电机组与变速恒频型风力发电机组不同之处是：当风速超过额定风速时，是将风轮叶片的入流角（迎角）向大的方向，即使桨距角变小来调节。当风速低于额定风速时，则将风轮叶片的入流角（迎角）向小的方向，即使桨距角变大来调节变速恒频型风力发电机组73变速恒频型风力发电机组又可分为：传统式风力发电机组直驱式风力发电机组混合式风力发电机组变速恒频型风力发电机组74传统式风力发电机组发电机刹车装置齿轮箱轴承轮毂机舱底座偏航轴承偏航传动装置整流罩75直驱式风力发电机组 直驱式风力发电机组是无齿轮箱的变桨距变速风力发电机组，风轮轴直接与低速永磁同步发电机
26、连接。与传动式风力发电机组比较，直驱式风力发电机组的结构简单，运动部件少，传动、发电效率高，但需要采用低速多级永磁发电机，重量和成本高，制造较困难。76 直驱式风力发电机组231765489101.叶轮（叶片）2.轮毂3.变桨系统4.电机转子5.电机定子6.偏航系统7.测风系统8.底座9.塔架10.提升机777879混合式风力发电机组 混合式风力发电机组采用1级行星齿轮和低速永磁同步发电机，是直驱式风力发电机组和传统式风力发电机组的混合型式。80 混合式风力发电机组轴承一级行星齿轮发电机变桨系统81828384858687推力系数：衡量在风所产生的力中，对风机向后推动的力所占的比例。贝兹极限：Cp=0.593。失速：当攻角增加到某一临界值（20）时，升力突然减小而阻力急剧增加，此时风轮叶片突然丧失支撑力的现象。