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详细解读风能及风能发电技术

2018-03-17 11:33:39 来源:网络 评论:0 点击:

1 风能利用概述

风是地球表面上的大气受到太阳辐射而引起的部份空气的流动,因而风能也是太阳能的一种表现形式。地球近地层每年风能总量约为1.3×1015W,可以利用的风能量至少为1012W,约十倍于地球上可以利用的水力能源总量。我国的年风能总储量估计为 1.6×1012W。如果世界风能的1/100用于发电,则可达世界总发电量的(8~9)%,而实际上由于风力的随机性和风速变化多端,它的利用效率较低,在风能的实际利用上仍存在很多技术困难。

尽管如此,风能作为再生能源,取之不尽,用之不竭,不存在燃料运输,灰渣处理和环境污染问题。由于它是自然能源,在常规能源紧张和生态环境遭受污染的时代,它的价值正在被重新认识,一些经济发达国家在70年代后期先后制定了发展规划,并投入了相当数量的开发资金。

我国风能的利用,已有2000多年的悠久历史,主要是用于风力提水和船舶上,但是发展很慢。50年代中期开始研制了小型现代风力提水机和发电装置。60年代,一些风力机开始投入小批量生产。70年代末,我国风能利用研究进入了一个新的发展阶段,主要是小型风力发电机和风力提水机。1982年5月我国正式成立了全国性的风能专业委员会。1985年我国成立了“全国风力机械标准化技术委员会”,该委员会制订了一系列有关风力发电机和风力提水机的相关标准。这样,“六五”、“七五”、“八五”期间在风能的利用、开发、风力发电方面有了很大的发展。90年代,我国从小型风力发电机组(国际规定10kW以下)的广泛应用走向大型风力发电机组的开发、引进、创新之路。目前我国小型风力发电机组的研究、制造已积累了相当丰富的经验,技术上已日趋成熟,形成了我国的系列型谱,并有部份出口。大型风力发电机组已建立了十几座大型风力田(如新疆达板、内蒙、山东荣城、广东汕头南澳、福建平潭等)。近年来,在国家计委主持下开展了大型风力机“先锋”工程,小型风力机“光明”工程,这将有力推动我国风力发电事业的进一步发展。

2 风能发电原理

2.1 风能发电原理

风能发电的原理是利用风轮将风能转变为机械能,风轮带动发电机再将机械能转变为电能。大型风力发电机组发出的电能直接并到电网上,向电网馈电;小型风力发电机一般将风力发电机组发出的电能用储能设备储存起来(一般用蓄电池),需要时再提供给负载(可直流供电,亦可用逆变器变换为交流供给用户)。

2.2 风能密度

不考虑风力机械的利用系数,单位面积获得的风功率称为风能密度,并以此表征某地风能潜力的大小

W=0.5ρv3  (W/m2)  (1)

推动风力机械运转的风能功率是

P1=0.5ρv3F  (W)  (2)

式中:ρ—空气质量密度(kg/m3);

v—风速(m/s);

F—风力机械叶轮扫掠的面积(m2)

由于实际上风力机械不可能将桨叶旋转的风能全部转变为轴的机械能,因而风轮的实际功率应为

P=0.5ρv3FCP  (W)  (3)

式中:CP—风能利用系数,即风轮所接受风的动能与通过风轮扫掠面积F全部风的动能比值。

以水平轴风力机械为例,理论上最大风能利用系数为0.593左右,但再考虑到风速变化和桨叶空气动力损失等因素,风能利用系数能达到0.4就相当高了。

风能密度有直接计算和概率计算两种方法。近年来各国的风能计算中,大多采用概率计算中的韦泊尔(Weibull)分布来拟合风速频率分布方法计算风能密度。

2.3 有效风速和有效风能密度

风力机械要根据当地的风况确定一个风速来设计的,该风速称为“设计风速”或“额定风速”,它与“额定功率”相对应。由于风的随机性的不稳定,风力机械不可能始终在额定风速下运行。因此风力机械就有一个工作风速范围,即从切入风速到切出速度,称为工作风速,即有效风速。依此计算的风能密度称为有效风能密度。

根据国标GB8974-88风力机名词术语的定义:

起动风速风力机风轮由静止开始转动并能连续运转的最小风速;

切入风速风力机对额定负载开始有功率输出时的最小风速;

切出风速由于调节器的作用使风力机对额定负载停止功率输出的风速;

工作风速风力机对额定负载有功率输出的风速范围,一般为3~20m/s。

从定义上可以看出,低于起动风速,风力机不能运行,而高于切出风速,风力机如继续在高风速下运行,将会严重损坏风力机,甚至造成人身事故,这尤其要引起人们的重视。

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