【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，目前世界上最大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)建立在美國(guó)北卡羅來(lái)納州的蘭嶺山上，發(fā)電功率是兩千瓦，年發(fā)電量是 330萬(wàn)度，相當(dāng) 3300噸煤發(fā)出的電量；另一方面是向新型立體式風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展。立體式風(fēng)力發(fā)電機(jī)即風(fēng)力發(fā)電機(jī)的軸和風(fēng)的方向垂直。它克服了一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片需要不斷增長(zhǎng)和提 高塔架以及在材料和加工工藝等方面的困難。這樣來(lái)自任何方向的風(fēng)都可以充分利用，提高了風(fēng)能利用率。又可以降低高大的支撐鐵塔，結(jié)果造價(jià)低，重量也輕了許多。 研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)的目的和意義 中國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，能源利用以煤炭為主。在當(dāng)前以石化能源為主體的能源結(jié)構(gòu)中，煤炭占 %，石油占 %，天然氣占 2%，其余為水電等其它資源。在電力的能源消費(fèi)中，也是以煤炭為主，燃煤發(fā)電量占總發(fā)電量的 80%。但是，能為人類(lèi)所用的石化資源是有限的，據(jù)第二屆環(huán)太平洋煤炭會(huì)議資料介紹，按目前的技術(shù)水平和采掘 速度計(jì)算，全球煤炭資源還可開(kāi)采 200年。此外，石油探明儲(chǔ)量預(yù)測(cè)僅能開(kāi)采 34年，天然氣約能開(kāi)采 60年。隨著人口的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源供需矛盾加劇，如果不趁早調(diào)整以石化能源為主體的能源結(jié)構(gòu)，勢(shì)必形成對(duì)數(shù)億年來(lái)地球積累的生物石化遺產(chǎn)更大規(guī)模的挖掘、消耗，由此將導(dǎo)致有限的石化能源趨于枯竭，人類(lèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降的惡性循環(huán)，不利于經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。電力部己制定“大力發(fā)展水電，繼續(xù)發(fā)展火電，適當(dāng)發(fā)展核電，積極發(fā)展新能源發(fā)電”的基本原則，把風(fēng)力發(fā)電作第 1 章 緒論 7 為優(yōu)化我國(guó)電力工業(yè)結(jié)構(gòu)跨世紀(jì)的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)。八屆人大四次會(huì)議批 準(zhǔn)的我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展“九五”計(jì)劃和 2020年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中提出“積極發(fā)展風(fēng)能、海陽(yáng)能、地?zé)崮艿刃履茉窗l(fā)電”的指導(dǎo)方針，為我國(guó)發(fā)展多能互補(bǔ)的能源結(jié)構(gòu)新格局起到了指導(dǎo)和促進(jìn)作用。 風(fēng)能是對(duì)人類(lèi)生存環(huán)境影響最小的能源。除此之外，風(fēng)能資源非常豐富，取之不盡，用之不竭。據(jù)統(tǒng)計(jì)，太陽(yáng)向地球輻射的巨大能量中，約有 1%轉(zhuǎn)化為風(fēng)能。這些能量相當(dāng)于全球每年消耗的煤、石油等化石燃料能量的總和，可見(jiàn)風(fēng)能的潛力是非常大的。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日趨成熟，風(fēng)力發(fā)電規(guī)模也不斷擴(kuò)大，美國(guó)加州由數(shù)家風(fēng)能公司提供給電網(wǎng)的電量，足以供應(yīng)舊金山這樣的 大城市的居民需求。我國(guó)風(fēng)電事業(yè)近年來(lái)發(fā)展較快，已有 16萬(wàn)臺(tái)微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)用于邊遠(yuǎn)山區(qū)、牧區(qū)、海島，初步解決了地處邊遠(yuǎn)，居住分散，電網(wǎng)難以到達(dá)地區(qū)的居民用電問(wèn)題。同時(shí)也遏制了微型汽油發(fā)電機(jī)的發(fā)展，在節(jié)約石化燃料的同時(shí)，避免了各種有害氣體的排放。國(guó)家“九五”新能源發(fā)展計(jì)劃提出，“九五”期間全國(guó)風(fēng)力發(fā)電的總裝機(jī)容燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文量要突破 40萬(wàn)千瓦。為此，國(guó)家從宏觀規(guī)劃角度出發(fā)，制定了“乘風(fēng)計(jì)劃”，面向國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)發(fā)展風(fēng)力發(fā)電?！俺孙L(fēng)計(jì)劃”不僅會(huì)大大促進(jìn)我國(guó)風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展，而且對(duì)減排有害污染物，促進(jìn)環(huán)境的改善有著重要意義。 風(fēng)力發(fā)電近幾年發(fā)展如此之快，是因?yàn)樗性S多優(yōu)點(diǎn)： ，投資少，成本低，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整個(gè)設(shè)備成本不足功率相當(dāng)?shù)幕鹆Πl(fā)電，水力發(fā)電和核電站成本的 1/4，在二、三年內(nèi)就可以收回全產(chǎn)投資； 。在風(fēng)力資源豐富的地區(qū)，風(fēng)力是取之不盡，用之不竭的，可就地建立風(fēng)力發(fā)電站，就地用電，這樣就可以節(jié)省大量的輸電設(shè)備和能源。許多燃料是十分重要的化學(xué)原料，把它白白的燃掉是十分可惜的。我國(guó)資源并不十分豐富，充分利用風(fēng)力資源意義就更重大了； 氣的污染，保護(hù)我們?nèi)祟?lèi)賴(lài)以生存 的自然環(huán)境。化學(xué)燃料不斷向大氣中排放對(duì)生物有害物質(zhì)，嚴(yán)重的威脅人們健康，而風(fēng)力能源則沒(méi)有任何影響人類(lèi)健康的有害物質(zhì)。 由于它是清潔能源，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，又由于我們國(guó)家地形復(fù)雜，人口又多，居住分散，對(duì)于電網(wǎng)涉及不到的地區(qū)，特殊行業(yè)，可以補(bǔ)充大電網(wǎng)的缺陷，起到拾遺補(bǔ)缺的作用，可以利用小型風(fēng)機(jī)風(fēng)力發(fā)電的地方主要有： (l)航運(yùn)系統(tǒng)我們有長(zhǎng)江等水系幾條大河流，如長(zhǎng)江航運(yùn)中的拖船，一般在 100一 200噸，經(jīng)常被擱置在江中間的錨地上，用電主要靠蓄電池。使用風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)蓄電池補(bǔ)充寧波大紅鷹學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 充電效果很好，這方面有成功的經(jīng)驗(yàn)。但是，由于 國(guó)有運(yùn)輸企業(yè)的不景氣，影響了市場(chǎng)。 另外，我們大小河流湖泊上的船舶數(shù)量驚人，用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)解決它們的照明、收視電視、聽(tīng)廣播，有很重要的意義和市場(chǎng)。 (2)森林防火高山觀察站據(jù)林業(yè)部防火指揮部介紹，東北約有 400個(gè)觀察站，西南也有幾百個(gè)高山觀察站，各省市都有一些森林高山防火觀察站，站上的工作人員，在防火期從 10月到第二年 5月期間晝夜在站上值勤，解決他們的照明及聽(tīng)廣播、看電視頗為費(fèi)神。由于山高、道路狹窄歧嶇、運(yùn)輸困難，又不能使用明火，使用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以基本解決觀察站的照明及娛樂(lè)用電。 90年代初，個(gè)別觀 察站曾使用過(guò)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的某些技術(shù)問(wèn)題及使用人員的素質(zhì)因素，沒(méi)有得到推廣。 (3)無(wú)人值守的差轉(zhuǎn)臺(tái)和微波站。 (4)東南沿海各孤立的島嶼。 (5)圍網(wǎng)養(yǎng)殖系統(tǒng)。 (6)農(nóng)牧區(qū)。 (7)國(guó)際市場(chǎng)。 我國(guó)的風(fēng)能資源及其分布 風(fēng)能是地球表面空氣移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能。由于風(fēng)速是一個(gè)隨機(jī)性很大的量，必須通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)才能算出平均風(fēng)功率密度。 根據(jù)風(fēng)的氣候特點(diǎn)，一般選取 10年風(fēng)速資料中年平均風(fēng)速最大、最小和中間的 3個(gè)年份為代表年份，分別計(jì)算該 3個(gè)年份的風(fēng)功率密度然后加以平均，其數(shù)值可以作為當(dāng)?shù)?長(zhǎng)年風(fēng)功率密度平均值。中國(guó)氣象科學(xué)研究院計(jì)算了全國(guó) 900余個(gè)氣象站的年平均風(fēng)功率密度值，該值反映出全國(guó)風(fēng)能資源分布狀況，以及各個(gè)地區(qū)風(fēng)能資源潛力。 中國(guó) 10m高度層的風(fēng)能總儲(chǔ)量為 3226GW，這個(gè)儲(chǔ)量稱(chēng)作風(fēng)能“理論可開(kāi)發(fā)總量”。實(shí)際可供開(kāi)發(fā)的量按上述總量的 1/lO估計(jì)，并考慮風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置風(fēng)輪的實(shí)際掃掠面積，再乘以面積系數(shù) (即直徑為 lm的圓面積是邊長(zhǎng)為 lm的正方形面積的 )，得到中國(guó) 10m高度層實(shí)際可開(kāi)發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)量為 253GW。這個(gè)數(shù)量比 1996年全國(guó)發(fā)電總裝機(jī)容量還大，說(shuō)明中國(guó)風(fēng)能資源豐富 ，但是可供經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)量數(shù)據(jù)尚需進(jìn)一步查明。 中國(guó)風(fēng)能豐富的地區(qū)主要分布在西北、華北和東北的草原或戈壁，以及東部和東南第 1 章 緒論 9 沿海及島嶼，這些地區(qū)一般都缺少煤炭等常規(guī)能源。中國(guó)風(fēng)力大小的出現(xiàn)規(guī)律是冬、春季風(fēng)大，降雨量少 。夏季風(fēng)小，降雨量大。這一特點(diǎn)恰與水電的枯水期和豐水期有著較好的互補(bǔ)性。圖 11示出了中國(guó)有效風(fēng)能密度分布狀況。 由于我國(guó)地形復(fù)雜，風(fēng)的地區(qū)性差異很大，有必要將我國(guó)的風(fēng)能資源的大體分布列出，以便于人們了解哪些地區(qū)有開(kāi)發(fā)利用風(fēng)能的潛力。中國(guó)風(fēng)能資源豐富的省區(qū)于表 1一 l。 一般風(fēng)能資源的潛力和特征用有 效風(fēng)能密度和可利用年積累小時(shí)數(shù)兩個(gè)指標(biāo)表示。根據(jù)有關(guān)氣象資料，我國(guó)可利用風(fēng)能地區(qū)有三個(gè)，即風(fēng)能豐富區(qū)、較豐富區(qū)、可利用區(qū)，列表 1一 2如下 : 圖 11 中國(guó)有效風(fēng)能密度分布狀況 表 1一 1 中國(guó)風(fēng)能資源比較豐富的地區(qū) 寧波大紅鷹學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 表 12 我國(guó)風(fēng)能資源分布情況 第 2 章 本章標(biāo)題 11 第 2 章 風(fēng)力機(jī)理論 基本公式概述 風(fēng)能利用系數(shù) 風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)能中吸收的能量大小程度用風(fēng)能利用系數(shù) pC 表示。橫截面積為s( 2m )的氣流的動(dòng)能為 風(fēng)壓強(qiáng) 如圖 21a，根據(jù)伯努力方程，風(fēng)中物體受到的風(fēng)壓 Q為 阻力式風(fēng)力機(jī)的最大效率 建立簡(jiǎn)單的理想模型，一個(gè)平板在風(fēng)的氣動(dòng)壓力作用下沿著風(fēng)速方向運(yùn)動(dòng)，如圖2lb，并規(guī)定平板上游一定距離上的風(fēng)速為 fV ，平板的運(yùn)動(dòng)速度為 v，那么平板吸收的功率可以表示為 寧波大紅鷹學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 21 平板模型 對(duì)給定的上游風(fēng)速玲，可以寫(xiě)出以平板的運(yùn)動(dòng)速度 V為函數(shù)的功率變化關(guān)系式，對(duì) v進(jìn)行微分得 從上式中可以看出，阻力 式風(fēng)力機(jī)的效率是比較低的，提高效率的唯一辦法是設(shè)法提高風(fēng)的阻力系數(shù) C。 第 2 章 本章標(biāo)題 13 工作風(fēng)速與輸出功率 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出效率 最理想的風(fēng)力機(jī)也不可能吸收全部的風(fēng)能，而只能吸收部分風(fēng)能。如上一節(jié)推導(dǎo)的那樣，有一個(gè)最大風(fēng)能利用系數(shù) pmaxC 。但是，風(fēng)力機(jī)在制做過(guò)程中，由于受到各種條件的限制，做不到完全理想的形狀。因此實(shí)際的風(fēng)力機(jī)和理想的風(fēng)力機(jī)之間也有差異。實(shí)際風(fēng)力機(jī)吸收的功率與理想風(fēng)力機(jī)吸收的功率的比值叫做風(fēng)力機(jī)的效率。用 1? 表示。另外還有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率甲 2? 和發(fā)電機(jī)的效率 3? 等，所以實(shí)際風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的效率，可以表示為 工作風(fēng)速與輸出功率 風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)時(shí)，為了克服其內(nèi)部的摩擦阻力而需要一定的力矩。這一最低力矩值叫做風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)力矩。啟動(dòng)力矩主要與風(fēng)力機(jī)本身的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦阻力有關(guān)因此風(fēng)力機(jī)有一最低工作風(fēng)速稱(chēng) fminV ，只有風(fēng)速大于 fminV 時(shí)風(fēng)力機(jī)才能工作。 當(dāng)風(fēng)速超過(guò)某一值的時(shí)候，基于安全上的考慮 (主要是塔架和槳葉強(qiáng)度 )，風(fēng)力機(jī)應(yīng)該停止運(yùn)轉(zhuǎn)，所以每一臺(tái)風(fēng)力機(jī)都規(guī)定有最高風(fēng)速 fmaxV ，最高風(fēng)速 fminV 與風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度有關(guān)，是設(shè)計(jì)時(shí)給定的參數(shù)。 最小風(fēng)速稱(chēng) fminV ，和最大風(fēng)速 fmaxV 之間的風(fēng)速叫做風(fēng)力機(jī)的工作風(fēng)速，相應(yīng)于工作風(fēng)速風(fēng)力機(jī) 有功率輸出。當(dāng)風(fēng)力機(jī)的輸出功率達(dá)到標(biāo)稱(chēng)功率時(shí)的工作風(fēng)速叫做該風(fēng)力機(jī)的額定風(fēng)速。 啟動(dòng)風(fēng)速和額定風(fēng)速的選定 如何根據(jù)風(fēng)能資源來(lái)選用風(fēng)力機(jī)，使風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)最佳，確定起動(dòng)風(fēng)速和額定風(fēng)速是關(guān)鍵。 雙參數(shù)威布爾分布 風(fēng)能就是流動(dòng)空氣具有的動(dòng)能。單位時(shí)間通過(guò)垂直于空氣流的單位面積的空氣流所具有的動(dòng)能叫風(fēng)能密度，設(shè) ? 為空氣密度， v為風(fēng)速，則風(fēng)能密度 p= 3v? ， ? 隨 v的立方增大，變化非?？?，故知道風(fēng)速的變化情況是利用風(fēng)能的寧波大紅鷹學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 先決條件。 風(fēng)速 V是隨機(jī)變量，經(jīng)研究專(zhuān)家們多認(rèn)為用雙參數(shù)威布爾概率密度函數(shù)擬合風(fēng)速頻率分布最好腳。威布爾分布函數(shù)形如下式 其中 K為形狀參數(shù)，無(wú)量綱， C為尺度參數(shù)，量綱為 m 1s? 。不同地區(qū)，不同時(shí)期參數(shù) K、C是不同的，可根據(jù)某地連續(xù) 30年的風(fēng)資料算出該地的 K、 C參數(shù)，威布爾分布函數(shù)曲線(xiàn)見(jiàn)圖 22。參數(shù) K、 C影響曲線(xiàn)形狀， K大 C大曲線(xiàn)陡峻，峰右移，反之亦然。 圖 22 威布爾分布函數(shù)曲線(xiàn) 上式滿(mǎn)足 第 2 章 本章標(biāo)題 15 起動(dòng)風(fēng)速 啟動(dòng)風(fēng)速為風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪由靜止開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)并能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的最小風(fēng)速 :風(fēng)力機(jī)分水平軸和垂直軸兩大類(lèi)，每一類(lèi)又有多種形式，同一形式還有若干種規(guī)格，只有科學(xué)地選擇適合當(dāng)?shù)仫L(fēng)能資源的風(fēng)力機(jī)，才能以較少的投資獲取較多的風(fēng)能。 根據(jù)國(guó)內(nèi)外 100多種風(fēng)力機(jī)，起動(dòng)風(fēng)速的范圍是 2m 1s? ，至 6m 1s? ，這一范圍能滿(mǎn)足風(fēng)能豐富區(qū)、較豐富區(qū)、可利用區(qū)的不同需要。 雙參數(shù)威布爾分布 函數(shù)曲線(xiàn)峰值對(duì)應(yīng)的凡就是起動(dòng)風(fēng)速 (圖 22)。對(duì)上式求一階導(dǎo)數(shù)且令其等于 O有 解得 證明氣是出現(xiàn)概率最大的風(fēng)速。使用起動(dòng)力風(fēng)速大于上式計(jì)算的氣的風(fēng)力機(jī)會(huì)損失小風(fēng)速這一區(qū)段的風(fēng)能，使用起動(dòng)風(fēng)速小于上式計(jì)算的咋的風(fēng)力機(jī)是否更好呢 ?表面看低風(fēng)速的風(fēng)能得到更多的利用，深入研究可知在之氣的較高風(fēng)速區(qū)風(fēng)能利用率下降，總體上是得不償失，故選用盡可能接近上式結(jié)果的風(fēng)力機(jī)最為理想。 額定風(fēng)速 額定風(fēng)速的選定直接影響風(fēng)能利用系統(tǒng)整體的效率和經(jīng)濟(jì)性，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。 己知風(fēng)能密度 p=12 3v? ，對(duì)一臺(tái)效率為 ? ，槳葉半徑為廠的風(fēng)力機(jī)，輸出功率 w(V)的威布爾分布函數(shù)為 寧波大紅鷹學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 w(V)峰值對(duì)應(yīng)之風(fēng)速pv應(yīng)是額定風(fēng)速，此時(shí)風(fēng)力機(jī)提取的風(fēng)能最多。 令 風(fēng)力機(jī)的工作風(fēng)速、輸出功率與風(fēng)能的關(guān)系 風(fēng)力機(jī)的工作風(fēng)速、輸出功率與風(fēng)能的關(guān)系可以簡(jiǎn)單地如圖 2一 3來(lái)表示 (注 :圖中縱坐標(biāo)表示輸出功率，單位為 :w/ 2m 。橫坐標(biāo)表示風(fēng)能，單位為 :m/s) A一理論風(fēng)能曲線(xiàn) B一扣除空氣動(dòng)力損失后的風(fēng)力機(jī)吸收的功率 C一計(jì)算傳動(dòng)損失和機(jī)械能轉(zhuǎn)換損失后的功率曲線(xiàn) D一發(fā)電機(jī)實(shí)際輸出功率曲線(xiàn) 圖 2一 3 功率與風(fēng)速的關(guān)系 第 2 章 本章標(biāo)題 17 風(fēng)能利用與氣象 風(fēng)的觀測(cè)對(duì)風(fēng)能利用的意義 在前面已經(jīng)講述過(guò)，風(fēng)能與風(fēng)速的三次方成正比。所以，當(dāng)風(fēng)速測(cè)量有 10%的誤差時(shí)，風(fēng)力機(jī)輸出功率的誤差將擴(kuò)大到 33%。在風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)中，輸出功率出現(xiàn) 30%以上的誤差，將帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)損失。風(fēng)速隨時(shí)間變化很大，而且地區(qū)性差異也很大，正確 把握風(fēng)況并不是一件容易的事情。所以在風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)劃中，對(duì)風(fēng)的觀測(cè)非常受重視。 風(fēng)能利用中需要的氣象調(diào)查 在風(fēng)能利用中，需要進(jìn)行四項(xiàng)氣象調(diào)查 : (l)風(fēng)能密度調(diào)查 結(jié)合風(fēng)能的地區(qū)分布和可設(shè)立風(fēng)力機(jī)地區(qū)面積的調(diào)查，在全國(guó)范圍內(nèi)對(duì)可利用的風(fēng)能量進(jìn)行估算。 (2)選定適合地點(diǎn) 在一年中，對(duì)通過(guò)強(qiáng)風(fēng)場(chǎng)所的調(diào)查。 (3)風(fēng)速的頻率分布調(diào)查 在風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)中，為了估算平均出力和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間等量，必須了解風(fēng)力機(jī)軸高處的風(fēng)況。 (4)為了風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)強(qiáng)度和安全系數(shù)的氣象調(diào)查 異常的強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)的概率、風(fēng)的不定向性以及突風(fēng)程度 ，冰暴、鹽害等的調(diào)查。 風(fēng)的觀測(cè) 風(fēng)的觀測(cè)，因其目的不同而有各自的特點(diǎn)。對(duì)于風(fēng)能利用，