风力发电原理第二章ppt课件.ppt
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1、P64-1,风力发电原理张 磊热能工程教研室本文档由知识社:http:/提供,P64-2,风的形成及特性风的能量与测量风力资源及风能利用,第二章 风与风能,P64-3,形成原因:太阳辐射造成地球表面的大气受热不均,温度差异造成大气层的压力分布不均。在压力差的作用下,空气流沿水平方向由高压区向低压区流动,形成了风。风能:风所具有的动能为风能。风能是太阳能的一种转化形式。,2-1 风的形成及特性,一、风的形成,P64-4,二、气压与风的关系,弯曲的线是等压线。闭合的等压线如果其气压值高于周围,则称为高气压区,相反称为低气压区。如同山峰的山脊和山谷,从高气压伸展出来的部分称为高压脊,从低气压伸展出来
2、的部分称为低压槽。,P64-5,气压梯度:等压线的疏密程度表示了单位距离内气压差的大小。等压线越密集,气压梯度越大。气压梯度力:由于气压梯度而产生的旁压力。 气压梯度力把两地间的空气从气压高的区域推向气压低的区域,空气流动从而形成了风。 气压梯度力越大,空气流动速度越快,风速越大。,地转偏向力:地球自转而使空气水平运动发生偏向的力。 随风速增大而增大,且与风向始终垂直。,P64-6,左、右手法则进行判别偏转方向。 北半球:右手法则 南半球:左手法则。气压和风的相互关系: 风速与气压梯度成正比,风向与等压线成平行。 在地转偏向力的作用下,风向不断发生偏转。到风向被偏转到与气压梯度力角度为90,此
3、时气压梯度力对风的分作用力为0。气压梯度力与地转偏向力正好相反,大小相等,达到平衡。在平衡状态下,风向与气压等压线保持平行。,P64-7,(1)随机性 速度大小和方向随时间不断变化,能量和功率随之发生改变。可能是短时间波动,或昼夜变化,或季节变化。 (2)风速随高度的增加而变化 地面上风速较低的原因是由于地表植物、建筑物以及其他障碍物的磨擦所造成的。 风速沿高度的相对增加量因地而异,可表示为:,我国n取0.160.20,三、风的特性,P64-8,P64-9,(3)风速受障碍物和地形影响较大,障碍物对风速的影响 当穿越粗糙表面,像建筑物、树木、岩石等类似障碍物时,风速和风向迅速地发生改变。在障碍
4、物的附近,特别是后缘会产生很强的湍流,该湍流在下风方向远处逐渐减弱。图为由障碍物造成的风湍流及其风速变化轮廓线。气流湍流不仅会减小风力机的有效功率,而且会增加风力机的疲劳载荷。 湍流强度和延伸长度与障碍物的高度有关。在障碍物的迎风侧,湍流区长度可高达障碍物的2倍,背风侧湍流延伸长度可达障碍物高度的1020倍。而且障碍物高宽比越小,湍流衰减越快;高宽比越大,湍流区越大。在高宽比无限大的极端条件下,湍流区长度可以达到障碍物高度的35倍。,P64-10,在垂直方向,湍流影响范围的最大高度达障碍物高度的2倍。当风力机叶片扫风最低点所处的高度是3倍障碍物高度时,则障碍物对风力机的影响可以忽略。但若风力机
5、前有较多障碍物时,由于风力机前的平均风速因障碍物而发生改变,则此时必须考虑障碍物的影响。因此,在风电场选址时应考虑到附近区域的障碍物,塔的高度必须足够高以便克服湍流区的影响。 山脉对风的影响,山脊、丘陵和悬崖的形态极大地影响着风廓线。光滑的山脊会加速穿越的气流,这是因风通过山脊时受阻压缩而引起的。山脊的形状决定了加速的程度,表面裸露时,对风速影响更加明显。若山脊的斜率为616,则加速明显,可充分利用这种效应来发电;但若斜率超过27或低于3,则加速不明显,不利于风力发电。对于长而地表沿坡度平缓的山脊,其顶部及迎风面的上半部一般都是最好的风场;而在其背风面,因可能存在湍流而不设置风力机。,P64-
6、11,另一重要因素是山脊的走向。若盛行风的方向与脊线垂直,则加速效应更明显。若山脊脊线与盛行风平行,则对风速无加速效应。 同样,在山的缺口、走向与风平行的山峡的气流通道收敛的部位,风速会提高,这个部位也被俗称为“风口”。当风穿越山区障碍物之间的间隙时,由于喷管效应,速度会增强。间隙的几何参数,如宽度、长度、坡度等是决定加速程度的主要因素。若两座高山之间的间隙面向风向,则是一个极佳的风电厂址。倘若两高山,表面越光滑,粗糙度越小,则对风的加速效果更好。,P64-12,(4)季节性变化特点明显,日夜变化也有规律,海陆风 海风:白昼时,海洋吸收了大部分的太阳辐射,导致大陆表面空气的升温速度较快,大陆表
7、面的气流膨胀上升至高空,然后流向海洋,到海洋上空因受冷却而下沉。大陆表面因气流上升而形成了低压区,近地层海洋因上空气流下降而产生高压区,在压力梯度下,为补偿陆地附近的低气压,使得海平面上的空气向陆地流动。 陆风:夜间,风形成的过程恰好相反,海洋吸收阳光而蕴藏了大量的热量,使海洋上的气流降温较慢,地面空气温度下降较快,从而使地表的空气从陆地流向海面。,P64-13,海陆风是由海陆热力差异引起的,其影响范围仅局限于沿海,风向变换以一天为周期。 中纬度地区: 海风可以从海岸线深入陆地50km。 低纬度地区: 海风风速可达48m/s,陆风一般只有13m/s。,P64-14,季风 季风是由海陆分布、大气
8、环流、大陆地形等因素造成的。随着季节的不同,陆地和海洋的太阳辐射产生了海洋与陆地之间的温度差异。 夏季,大陆增热比海洋剧烈,海上形成高压,大陆形成低压,空气从海上流向大陆,而高空形成了与底层气流方向相反的气流,构成了夏季季风环流。 冬季,大陆比海洋温度低,大陆的气压比海洋的高。底层气流由大陆吹向海洋,高层气流由海洋流向大陆,形成了冬季季风环流。 世界上季风区分布甚广,其中最著名的是东南亚季风区。在夏季,从印度洋和西南太平洋来的暖、湿空气向北和西北方向移动进入亚洲大陆,进入印度、中南半岛和中国。这种气流形成夏季季风。在冬季,亚洲大陆为一强盛高压中心所控制,气流自高压中心向外流动,其方向与夏季季风
9、正相反。这是向南和东南吹向赤道海洋的冬季季风。 东亚季风对我国、朝鲜、日本等地区的天气和气候影响很大。这些地区的气候特征,在冬季表现为低温、干旱和少雨;夏季是高温、湿润和多雨。,P64-15,山谷风 在山区,白天风从山谷吹向山坡,这种风叫“谷风”;到夜间,风从山坡吹向山谷,这种风称“山风”。山风和谷风统称为山谷风,其形成原理与海陆风相似。,P64-16,白天山坡受热较快,温度高于山谷中同高度的空气温度,坡地表面的空气受热后沿倾斜方向上升,谷底则被冷空气填补,从而形成谷风。夜间,山坡因辐射冷却,降温速度比山谷中同高度的空气快,因此气流从山坡吹向谷底,从而形成了山风。通常这种现象会生成很强的气流,
10、进而形成强风。 谷风的平均速度为24m/s,有时可达710m/s。谷风通过山隘时风速加大。山风比谷风小一些,但在峡谷中风力加强,有时会损坏谷底的农作物。谷风所达厚度一般为谷底以上5001000m,这一厚度还随气层不稳定程度的增加而增大。,P64-17,焚风 定义:当气流跨越山脊时,背风面产生一种热而干燥的风。 条件:山岭两面气压不同的条件下发生。 分析:在山岭的一侧是高气压,另一侧是低气压时,空气会从高气压区向低气压区流动。但因受山阻碍,空气被迫上升,气压降低,空气膨胀,温度也随之降低。空气每上升100m,气温则下降0.6。当空气上升到一定高度时,水汽遇冷凝结,形成雨水。空气到达山脊附近后,则
11、变得稀薄干燥,然后翻过山脊,顺坡而下,空气在下降的过程中变得紧密且温度增高。空气每下降100m,气温则会上升1。因此,空气沿着高大的山岭沉降到山麓的时候,气温常会有大幅度地提升。迎风和背风两面的空气即使高度相同,背风面空气的温度也总是比迎风面的高。每当背风山坡刮炎热干燥的焚风时,迎风山坡却常常下雨或落雪。 危害:会造成果木和农作物的干枯,形成森林大火。当然也可以加速冬季积雪融化,利于早点使草木生长。,P64-18,P64-19,定义:空气运动产生的动能称为“风能”。,单位时间内垂直流过截面A的空气拥有的做功能力,称为风能功率(W),2-2 风的能量与测量,一、风能,风能功率与风速的立方成正比,
12、与流动空气密度和垂直流过的投影面积成正比。,P64-20,风能密度是估计风能潜力大小的一个重要指标。定义:单位时间内通过单位截面积的风能。值的大小随气压、气温和湿度等大气条件的变化而变化。在海拔高度500m以下,取1.225kg/m3,若海拔超过500m,必须考虑空气密度的变化。,二、风能密度,一般风速是用平均值表示的,平均风能密度可采用直接计算和概率计算两种方法求得,各气象台站都有详细的数据记录资料。,P64-21,平均风能密度:一定时间周期(如一年或一月)内风能密度的平均值。,可直接利用观测资料计算平均风能密度。根据平均风能密度计算公式,先计算每个小时的风能密度,然后再求和,并按全年小时数
13、平均,就可得到年平均风能密度。,P64-22,实际上,风能不可能全部转换成机械能,风力机不能获得全部理论上的能量。当风速由0逐渐增加达到某一风速Vm(切入风速)时,风力机才开始提供功率。该风速下,风轮轴上的功率等于整机空载时自身消耗的功率,风力机还不能对用户输出功。 风速继续增加,达到某一确定值VN(额定风速),在该风速下风力机提供额定功率或正常功率。超过该值时,利用调节系统,输出功率将保持常数。如果风速继续再增加到某一值VM(切断风速)时,出于安全考虑,风力机应停止运转,风力机不输出功率 。,三、有效风能密度,P64-23,世界各国根据各自的风能资源情况和风力机的运行经验,制定了不同的有效风
14、速范围及不同的风力机切入风速、额定风速和切断风速。中国有效风能密度所对应的风速范围是3-25m/s。实际可利用的风能为图中阴影部分的面积,其计算方法与平均风能密度的计算方法相同。,P64-24,风速就是空气在单位时间内移动的距离,国际上的单位是米/秒(m / s)或千米/小时(km/h)。我国现行的风速观测有定时4次2min平均风速和1日24次自动记录10min平均风速两种。 人们习惯用风级来表示风的强弱 。我国是用风级表示风大小的最早国家之一,远在唐代,科学家李淳风就在他的著作中提出过9级风的划分标准,且非常直观形象,如“动叶、鸣条、摇枝等”。1805年,英国人总结提出了更精确的风级划分标准
15、,从0级到12级,共分13个等级。随后,又补充了每级风的相应风速数据,使人们从直接景观现象发展到依靠精确的风速数据,这一标准后来逐渐被国际公认,称为“蒲氏风级”。,四、风速与风级,P64-25,零级无风炊烟上,一级软风烟稍斜, 二级轻风树叶响,三级微风树枝晃, 四级和风灰尘起,五级清风水起波, 六级强风大树摇,七级疾风步难行, 八级大风树枝折,九级烈风烟囱毁, 十级狂风树根拔,十一级暴风很罕见, 十二级飓风浪涛天。,P64-26,P64-27,风是具有大小和方向的矢量,通常把风吹来的地平方向定为风的方向,即风向。空气由东向西流动叫东风,由南向北流动叫南风,以此类推。气象台预报风时,当风向在某个
16、方向左右摆动不能确定时,则加以“偏”字,如在北风方位左右摆动,则叫偏北风。静风记“C” 。,五、风向与风频,风向测量单位,陆地一般用16个方位表示,海上则多用36个方位表示。 风向是风电场选址的一个重要因素。若欲从某一特定方向获得所需的风能,则必须避免此气流方向上有任意的障碍物。,P64-28,早期的风速仪中的风向标是用来确定风向的。现在大多数的风速仪可同时记录风向和风速。风向仪装置,由尾翼、指向杆、平衡锤及旋转主轴4部分组成的首尾不对称平衡装置。风向风速仪可以测定风向,一般安装在离地面10m高度的测风塔上,如果附近有障碍物,则至少要高出障碍物6m高度。,P64-29,风频?,风频是指风向的频
17、率,即在一定时间内 某风向出现的次数占各风向出现总次数 的百分比。某风向频率= 某风向出现的次数风向的总观测次数100风频玫瑰图:计算出各风向的频率数值后,用极坐标的方式将这些数值标在风向方位图上,把各点联线后形成一幅代表这一段时间内风向变化的风况图。在实际的风能利用中,总是希望某一风向的频率尽可能大些,尤其是不希望在较短的时间内出现风向频繁变化的情况。,P64-30,风速玫瑰图:用同样的方法表示各方向的平均风速。 风能玫瑰图:如果表示时间的百分比和风速的3次方,这有助于确定从不同方向获取的能量。,P64-31,风速频率,定义:一定时间内某风速时数占各风速出现总时数的百分比,又称风速的重复性。
18、按相差1m/s的时间间隔观测1年(1月或1天)内各种风速吹风时数与该时间间隔内吹风总时数的百分比,称为风速频率分布。,是风频吗?,从风能利用的观点看,哪条曲线所代表的风况比较好?why?,P64-32,利用风速频率分布可以计算某一地区单位面积上全年的风能。如测出风力机安装地点的风速频率,又已知该风力机的功率曲线,就可以算出该风力机每年的发电量。在风能利用中,特别是对于风力发电,要选择风频和风速变化比较稳定的地点。在现代风能利用中,必须首先了解当地的风能特性,进行较长时间的观测,并用电子计算机作出风能特性的分析。,P64-33,主要目的:正确估计某地点可利用风能的大小,为装备风力机提供风能数据。
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