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1、第二章 风能及其转换原理11本章内容本章内容2.1 2.1 风的形成及其特性风的形成及其特性2.2 2.2 风的测量与估计风的测量与估计2.3 2.3 风能资源评估及风电场选址概述风能资源评估及风电场选址概述2.4 2.4 风能转换基本原理风能转换基本原理2.5 2.5 风力机运行特性风力机运行特性222.1.1 2.1.1 风的形成及其基本特性风的形成及其基本特性n风：指空气相对于地球表面的运动，是由于大气中热力和动力的空间不均匀性所形成的。n大气边界层：受地表摩擦阻力影响的大气层。按高度分成三个区域：底层、下部摩擦层、上部摩擦层。n边界层空气在高度方向上特点：n空气上下对流运动n水平运动速
2、度随高度变化n风向随高度变化n大气湍流特性随高度变化大气边界层大气边界层1.风的形成332.风的尺度n小尺度：空间数米到数千米，时间数秒到数天。n中尺度：空间数千米到数百千米，时间数分钟到一周。n天气尺度：空间数百千米到数千千米，时间数天到数周。n行星尺度：空间数千千米以上，时间数周。气流运动的空间和时间尺度443.风的大小n某地点平均风速的大小除取决于时距外，还与所测点的高度有关，我国规定的标准高度为10m。n风力等级是依据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象确定的。n国际上采用的风速等级是1805年英国人蒲福拟定的。在1946年，人们又把第12级（飓风）分为6级。表见下页。66风力级数名
3、 称海面状况海洋船只征象陆地地面征象相当于空旷平地上标准高度10米处的风速（米/秒）海浪一般(米)最高(米)0静风静静，烟直上 00.21软风0.10.1平常渔船略觉摇动烟能表示风向，但风向标不能动0.31.52轻风0.20.3渔船张帆时，每小时可随风移行23公里人面感觉有风，树叶微响，风向标能转动1.63.33微风0.61.0渔船渐觉颠簸，每小时可随风移行56公里树叶及微枝摇动不息，旌旗展开3.45.44和风1.01.5渔船满帆时，可使船身倾向一侧能吹起地面灰尘和纸张，树的小枝摇动5.57.95清劲风2.02.5渔船缩帆（即收去帆之一部）有叶的小树摇摆，内陆的水面有小波8.010.76强风3
4、.04.0渔船加倍缩帆，捕鱼须注意风险大树枝摇动，电线呼呼有声，举伞困难10.813.87疾风4.05.5渔船停泊港中，在海者下锚全树摇动，迎风步行感觉不便13.917.18大风5.57.5进港的渔船皆停留不出微枝拆毁，人行向前，感觉阻力甚大17.220.79烈风7.010.0汽船航行困难建筑物有小损（烟囱顶部及平屋摇动）20.824.410狂风9.012.5汽船航行颇危险陆上少见，见时可使树木拔起或使建筑物损坏严重24.528.411暴风11.516.0汽船遇之极危险陆上很少见，有则必有广泛损坏28.532.612飓风14.0海浪滔天陆上绝少见，摧毁力极大32.736.91337.041.4
5、1441.546.11546.250.91651.056.01756.161.2772.1.2 2.1.2 全球性的风全球性的风n大气环流是全球范围内，由于太阳辐射不均匀，产生赤道和极地的温度和气压差异，导致的赤道上空的热空气向极地运动，而极地地面的冷空气向赤道运动的循环状态。n1856年，美国人费雷尔提出了更接近实际的“三圈环流”大气运动模型。1.大气环流三三圈圈环环流流示示意意图图88当m在A点时，它还随圆盘有一个切向速度rA，在B（或B）点时，随圆盘有一个切向速度rB。则：当t很小时，从B向B方向的运动可以看作是速度从0开始(抛出)的匀加速运动。10 大气环流的形成大气环流的形成 赤道气
6、温高，空气受热，密度变小上升，使该地气压变低。以北半球为例，地面附近北方的冷空气流过来补充。流过来时受到科里奥利力影响，向西偏移，且速度越大，受力越大，偏转越厉害。再看上升的气流：一方面气流上升，温度降低。另一方面由于北方空气补充赤道方向。气流在气压差作用下向北流动，而流动时受科氏力影响向东偏移。且速度越大偏移越厉害。在北纬30附近，其运动方向基本与纬线一致。一方面阻挡了北方过来补充的气流。另一方面，自身变冷后下沉，补充地面向赤道方向补充气流造成的低气压，形成了赤道附近的”哈德莱环流”。-同理，有另外两圈环流。大气环流大气环流112.1.3 2.1.3 地方性的风地方性的风1.海陆风a)海风的
7、形成 b)陆风的形成海陆风形成示意图13133.焚风a)山前有降水情况 b)山前无降水情况焚风形成示意图15152.1.4 平均风 平均风速是指在某一时间间隔中，空间某点瞬时水平方向风速的 数值平均值，用下式表示。1 平均风速风能计算常用10分钟（或1小时）平均风速 16162 平均风速随高度变化规律 2）指数率变化 18183 平均风速随时间变化规律 1）平均风速的日变化 由于太阳照射引起地面受热的昼夜变化，导致平均风速在每天范围内也发生相应变化。平均风速的日变化平均风速的日变化19193 平均风速随时间变化规律 2）平均风速的月变化 下图是位于中纬度某地平均风速月变化实测曲线。平均风速的月
8、变化情况不同地区会有很大不同，很难找出一般规律。平均风速的月变化平均风速的月变化20203 平均风速随时间变化规律 3）平均风速的季度变化平均风速的季节变化平均风速的季节变化在世界上几乎所有地区，一年内的平均风速都随着季节发生明显规律性的变化。我国大部分地区，最大风速多在春季，而最小风速多在夏季。21214 平均风速分布 1）威布尔分布:2）瑞利分布:是威布尔分布在k=2时的特例式中：k形状系数，c尺度系数 某地的平均风速概率密度曲线某地的平均风速概率密度曲线 威布尔分布函数概率密度曲线威布尔分布函数概率密度曲线22225 平均风向 某一风向在一年或一个月中出现的频率常用风向玫瑰图表示。Na）
9、形式）形式1 b）形式）形式2风向玫瑰图风向玫瑰图24242.1.5 脉动风脉动风速为瞬间风速与平均风速的差值，因此，其时间平均值为零：1脉动风速脉动风速的概率密度函数非常接近于高斯分布或正态分布。概率密度函数:把脉动风看作平稳随机过程，即可用某点长时间的观测样本来代表整个脉动风的统计特性。这里仅介绍其风速、湍流强度和阵风系数。2525不同高度处的风速时间历程曲线 1脉动风速下图是某处不同高度风速的时间曲线。由图可知，脉动风速随高度的减小而增加，这是由于越接近地面受地貌特征及湿度分布影响越大造成的。2626下图分别给出了纵向湍流强度随高度和地表粗糙度长度变化的曲线。由图可知，纵向湍流强度随高度
10、的增加而减小，随地表粗糙度长度的增加而增大。2.湍流强度纵向湍流强度随高度的变化曲线纵向湍流强度随高度的变化曲线纵向湍流强度随地面粗糙长度的变化曲线纵向湍流强度随地面粗糙长度的变化曲线2828在结构设计中，需要考虑阵风的影响，因此，引入阵风系数G。阵风系数是指阵风风速与平均风速之比，它与湍流强度有关。湍流强度越大，则阵风系数越大；阵风持续时间越长则阵风系数越小。有关文献给出了如下表达式：3.阵风系数式中 u 纵向湍流强度；T 阵风持续时间 29293.最大风速概率分布 a 尺度参数；b 位置参数 分布函数：某地年最大风速的累积分布曲线 31314.设计最大风速式中，保证系数 重现期N/年305
11、01001000保证率p0.9670.9800.9900.999保证系数2.202.593.144.94设计最大风速可用最大风速累积分布函数来求取。设计最大风速为不同重现期不同重现期N下的保证系数下的保证系数32322.1.7 地形地貌对风的影响1)地面建筑物地面建筑物对风速的扰动区范围大小取决于建筑物的形状（宽高比）。建筑物形状B/H下游距离5H10H20H风速降低/（%）湍流增强/（%）风速降低/（%）湍流增强/（%）风速降低/（%）湍流增强/（%）43625147513241511540.51114512-0.332.52.51.30.75-0.2522.510.50-尾流区高度1.5H
12、2.0H3.0H注：B为建筑物宽度，H为建筑物高度建筑物形状对下游风特性的影响 建筑物对风特性的影响建筑物对风特性的影响33332)地形地形对风速分布的影响更大。山丘、山谷、盆地等不仅会改变风的速度分布，还会使风向产生较大的变化。不同地形平地平均风速/（m/s）3568山间盆地0.950.850.850.70弯曲河谷0.800.700.700.60山脊背风坡0.900.800.800.70山脊迎风坡1.201.101.10峡谷口或山口1.401.301.20不同地形与平坦地面风速比值不同地形与平坦地面风速比值34343)海上风特性 海上年平均风速的威布尔分布形状系数比陆地大，平均风速随高度的变
13、化比较平缓，湍流强度相对较低，风向也比较稳定。海面对平均风速概率分布曲线的影响海面对平均风速概率分布曲线的影响海面对风速廓线的影响海面对风速廓线的影响3535基本要求：风资源测量时，通常按照下表所列项目进行。所有参数应每1s或2s采样一次，计算平均值时，标准时间间隔为10min。测量风速时要在多个高度测量，以确定风的切变特性。测风时间应至少连续一年以上，2.2风的测量与估计项目测量参数记录值基本参数风速/(m/s)平均值，标准偏差，最大/最小值风向/()平均值，标准偏差气温/C平均值，最大/最小值可选参数太阳辐射/(W/m2)平均值，最大/最小值垂直风速/(m/s)平均值，标准偏差大气压/hP
14、a平均值，最大/最小值温度变化/C平均值，最大/最小值36362.1.1 风向测量 n风向标：尾翼、指向针、平衡锤及旋转轴 n风向信号产生：环形电位计、码盘大型风力发电机组上的风向标 37373.2 风速测量 n旋转式风速计1.风杯2.螺旋桨叶风杯 螺旋桨式 a数值即为起动风速;N是风速计转速;通常cb(cb10-4)383839n风能资源大小常用风能密度来表示。n风能密度是指垂直于风向，单位面积上，单位时间流过的空气的动能（功率密度），计算公式为：n平均风能密度 n)2.2.3 风能估计39n平均功率密度的数学期望(均值)2.2.3 风能估计有：令 结论：风能密度仍然符和威结论：风能密度仍然
15、符和威布尔分布。估计平均风能密布尔分布。估计平均风能密度，就变成了对参数度，就变成了对参数c，k的的估计。估计。K形状系数，C尺度系数 4040n最小二乘法估计 风能估计（c和k的估计）取对数：令 b=K，则：K=b 得到的风速出现范围划成n个风速区间,统计各风速间隔出现的频率f1fn,计算累计频率P1=f1,P2=P1+f2 41取41n平均风速和标准差估计 风能估计（c和k的估计）通常用如下近似关系式求解K 在应用中，我们用平均风速来估计 和 4242n平均风速和最大风速估计风能估计（c和k的估计）由 有为在时间段T内观测到的10min平均最大风速，它出现的概率为 K值通常在1.02.6之
16、间，此时 因此:4343n年均有效风能估计 风能估计年平均有效风能是指一年中在有效风速范围内的风能的平均密度，可用下式计算 有效风速范围(目前通常为3m/s25m/s),为有效范围内的概率分布函数 (在应用中，可以用数值积分的办法得到)4444指标丰富区较丰富区可利用区贫乏区年有效风能密度W200200150150100100风速3ms年累计时数h500050004000400020002000风速6ms年累计时数h2000220015001500350350占全国面积百分比8185024高度10m30m50m风 功 率 密 度等 级风 功 率 密 度(w)平均风速参考值(ms)风功率密度(w
17、 ）平 均 风 速 参考 值(ms)风 功 率 密 度(w ）平均风速参考 值(ms)应用110044160512005621001505116024059200300643150200562403206530040070较好4200250603204007040050075好5250300644004807450060080很好6300400704806408260080088740010009464016001108002000119国国际际上上风风电电场场风风能能资资源源等等级级划划分分 452.3 风能资源评估及风电场选址概述 风风能能资资源源四四类类区区域域452.3.1 风能资源评
18、估 n目的：预测风能转化成电能的潜力n主要评估参数：1）平均风速：年平均风速（30年，至少10年每小时或每10分钟平均风速数据）2）主要风向分布:依据多年统计资料和至少最近一年实测数据 3）风功率密度：由风速和空气密度得到4）年风能可利用时间：一年中风力发电机组在有效风速范围内的运行时间（一般有效风速范围取325m/s）46461）宏观选址：u风能质量好 u风向基本稳定u风速变化小 u尽量避开灾难性天气频发地区 u发电机组高度范围内风速的垂直变化小（垂直切变小）u地形条件好地形尽可能单一 u地质情况能满足塔架基础、房屋建筑施工的要求，远离强地震带等 u对环境不利影响小 u尽可能接近电网并考虑并
19、网可能产生的影响 u交通方便 风能资源分析软件：WASP(Wind Atlas Analysis and Aplicationg Programs)2.3.2 风电场选址47472）微观选址：u考虑地形的影响平坦地形：考虑地面障碍物 复杂地形：在山丘和谷地，要考虑谷地方向与主要盛行风向的关系u考虑机组的排列方式 对于平坦地形，盛行主风向为一个或相反的两个方向时，一般按矩阵式排列；多盛行风向，一般采用田字型或园型排布，发电机组间距通常取1012倍风轮直径。风电场的设计优化软件：WindFarmer(Wind Farmer Design and Optimigzation Software)2.3
20、.2 风电场选址4848 -相对厚度，-最大厚度，即弦长法线方向之翼型最大厚度；A点-前缘点；B点-后缘点，A、B点相距最远；-弦长，是两端点A、B连线方向上翼形的最大长度；1、桨叶翼型参数、桨叶翼型参数2.4 风能转换基本原理，通常为10%15%；-桨距角，是风轮旋转平面与弦线间的夹角；-攻角，是来流速度方向与弦线间的夹角；492、桨叶上的气动力、桨叶上的气动力 空气动力的一个分力与气流方向垂直，它使平板上升，称为升力；另一个分力与气流方向相同，称为阻力。升力系数与阻力系数之比称为升阻比 -总的气动力系数，无量纲；-升力系数，无量纲；-阻力系数，无量纲。503、影响升力系数和阻力系数的因素、
21、影响升力系数和阻力系数的因素 u攻角的影响 u翼型的影响(弯度、厚度及前缘)u表面粗糙度和雷诺数的影响512.4.2 风能转换基础理论风能转换基础理论 1、风轮动量理论(贝兹极限理论)理想假设(不考虑风轮尾流的旋转)1）气流是不可压缩的均匀定常流；）气流是不可压缩的均匀定常流；2）风轮简化成一个浆盘；）风轮简化成一个浆盘；3）桨盘上没有摩擦力；）桨盘上没有摩擦力；4）风轮流动模型简化成一个单元流管；）风轮流动模型简化成一个单元流管；5）风轮前后远方的气流静压相等；）风轮前后远方的气流静压相等；6）轴向力（推力）沿浆盘均匀分布。）轴向力（推力）沿浆盘均匀分布。风轮流动的单元流管模型 单位时间内气
22、流流过截面积为S的气体所具有的动能为 522、风轮动量理论(贝兹极限理论)由动量方程得到作用在风轮上的轴向力F为：根据右图：由伯努利方程可得：假设风轮远方的气流静压相等，即 得:ab53由：这表明流过风轮的速度是风轮前来流风速和风轮后尾流速度的平均值。根据能量方程有：ab54当：此值称之为贝兹（Betz）极限，它表示在理想情况下，风轮最多能吸收59.3的风的动能，也就是说其理论最大效率值为0.593，说明风轮从自然风中所能索取的能量是有限的。时，则P出现极值，求解后得 定义风轮轴功率系数（又称风能利用系数）552、风轮叶素理论 叶素：叶素：将风轮叶片沿展向分成若干个微元，这些微元称为叶素。基本
23、思想：基本思想：通过对叶素的受力分析求得作用在每个叶素上的力和转矩，再将所有微元转矩和力相加得到风力发电机桨叶上的力和转矩。56叶素受力分析 气流相对于叶片的相对速度为：由受力分析图可知:I-倾角，为桨距角 与攻角i之和，令升阻比 ：风轮的总转矩是由风轮桨叶所有叶素的转矩微元之和。根据同样可以由总转矩得到风力机吸收总的风能。573 涡流理论 因为存在尾流和涡流影响，风轮叶片下游存在着尾迹涡，它形成两个主要的涡区：一个在轮毂附近，一个在叶尖。当风轮旋转时，通过每个叶片尖部的气流的迹线为一螺旋线，在轮毂附近也存在同样的情况，风速的涡流系统如下图。风速的涡流系统 由涡流引起的风速可看成是由下列三个涡
24、流系统叠加的结果：1)中心涡，集中在转轴上；2)每个叶片的边界涡；3)每个叶片尖部形成的螺旋涡。583 涡流理论 涡流系统对风力发电机的影响可以分解为对风速和对风轮转速两方面。涡流形成的气流通过风轮的轴向速度与风速方向相反，旋转速度方向与风轮转速方向相同 ，矢量图如下图。风速的涡流系统 假定：叶素理论中相对风速及对应倾角也发生相应变化：592.5 风力机运行特性风力机运行特性 2.5.1 风轮空气动力特性 风力机基本特性，即风轮的空气动力特性，通常由一簇包含风能利用系数Cp和叶尖速比的无因次性能曲线来表达，Cp是叶尖速比和桨距角的高阶非线性函数。例：一种拟合公式：60风轮空气动力特性 保持节距
25、角不变，用一条曲线就能描述出它作为的函数的性能和表示从风能中获取的最大功率。风力机从风中捕获的机械功率为 在任何风速下，只要使得风轮的尖速比opt，就可维持风力机在Cpmax下运行，opt称为最佳叶尖速比。使风力机维持在最佳叶尖速比运行的主要通过控制风力机转速来达到这一目的，这时风力机从风能中获取的机械功率为：61风轮运行特性（定桨距风力机）1）转速设定对输出功率的影响（恒速风机）设定风速低：风速低时产生功率小，风速高时发生失速，效率偏低设定风速高：风速高时获得大量风能，风速低时效率低下解决办法：双速风力发电机 2）桨距角设定的影响扭曲叶片；桨距角设定；桨距角调整62风轮运行特性（变桨距风力机
26、）启停特性：1）采用大的正桨距角时可以在叶轮启动时产生大的启动扭矩 2）关机时采用90度桨距角，这样可以降低叶轮的空转速度以便施加制动刹车 运行特性：1）风力机转速-气动转矩曲线 2）风力机转速-输出功率曲线 63风力机转速-输出功率曲线风速作为参数及 的风轮功率 64风力机转速-输出功率曲线图2-31 桨距角作为参数及 的功率 65风轮运行特性（变桨距风力机）不同风速下的扭矩转速特性 1）功率限制：所有电路及电力电子器件受功率限制；2）转速限制：所有旋转部件的机械强度受转速限制。662.5.3 实度对风力机特性的影响 实度可以通过改变叶轮的桨叶数量改变，也可以通过改变桨叶的弦长来改变 实度：风力机叶片的投影面积所占风轮面积的比例B为叶片个数；S为叶片对风投影面积 67实度变化对风能利用系数的影响 68