南京工业大学风力发电原理.pptx
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1、风力发电原理谭剑锋第二章 风能及转换原理第二章 风能及转换原理需要掌握:需要掌握:风的形成(大气环流、季风、陆海风、山谷风)风的测量(测试系统、测量方法)风能资源(风能特点、风能密度计算方法、选址)风特点(风速、风向表示方式)u形成原因形成原因:太阳辐射造成地球表面的大气受热不均,温度: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。在差异造成大气层的压力分布不均。在压力差压力差的作用下,空的作用下,空气流沿水平方向由高压区向低压区流动,形成了风。气流沿水平方向由高压区向低压区流动,形成了风。u风能风能:风所具有的动能为风能。:风所具有的动能为风能。u风能是风能是太阳能太
2、阳能的一种转化形式。的一种转化形式。风是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不均匀性所致,通常指水平方向水平方向的空气运动2.12.1风的形成风的形成一、风的形成一、风的形成 弯曲的线是等压线等压线。闭合的等压线如果其气压值高于周围,则称为高气压区高气压区,相反称为低气压区低气压区。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高压脊,从低气压伸展出来的部分称为低压槽低压槽。u气压与风的关系气压与风的关系 17世纪意大利拖里拆里发明气压表气压表,法国帕斯卡发现大气压与高度关系。一、风的形成一、风的形成 气压梯度气压梯度:等压线的疏密程度表示了单位距离内气压:
3、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。差的大小。等压线越密集,气压梯度越大。气压梯度力气压梯度力:由于气压梯度而产生的旁压力。: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。气压梯度力越大,空气流动速度越快,风速越大。地转偏向力地转偏向力:地球自转而使空气水平运动发生偏向的: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。力。随风速增大而增大,且与风向始
4、终垂直。大气受力:气压梯度力、地转偏转力、摩擦力、离心力气压梯度力、地转偏转力、摩擦力、离心力一、风的形成一、风的形成 左、右手法则进行判别偏转方向。左、右手法则进行判别偏转方向。北半球:右手法则北半球:右手法则 南半球:左手法则。南半球:左手法则。气压和风的相互关系:气压和风的相互关系:风速与气压梯度成正比,风向与等风速与气压梯度成正比,风向与等压线成平行。压线成平行。在地转偏向力的作用下,风向不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断发生偏转。到风向被偏转到与气压梯度力角度为压梯度力角度为9090,此时气压梯,此时气压梯度力对风的分作用力为度力对风的分作用力为0 0。气
5、压梯度。气压梯度力与地转偏向力正好相反,大小相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,风等,达到平衡。在平衡状态下,风向与气压等压线保持平行。向与气压等压线保持平行。一、风的形成一、风的形成 u风的尺度风的尺度小尺度小尺度:米千米,秒天,对风电机组设计产生主要影响风电机组设计产生主要影响中尺度中尺度:千米百千米,分钟周,雷暴和风天气尺度天气尺度:百千米千千米,天周,天气预报尺度行星尺度行星尺度:千千米,周,全球季节性变化一、风的形成一、风的形成 u全球性风全球性风大气环流大气环流原因原因:太阳辐射不均匀,赤道和极地的温度和气压差异:太阳辐射不均匀,赤道和极地的温度和气压差异1
6、735年英国哈德莱(Hadley)单圈循环模型,没有地球转动影响1856年美国人费雷尔(Ferrel)的“三圈环流”“费雷尔环流圈费雷尔环流圈”,盛行西风带构成“极地环流圈极地环流圈”一、风的形成一、风的形成 “副热带高压副热带高压”,地球偏转力,维度30平行,气流下沉“哈德莱环流圈哈德莱环流圈”,东北信风带构成u季风季风原因:原因:海陆比热不同而造成的热力差异,形成大尺度、随季节交替变化的局部热力环流夏季夏季: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,构成了夏夏季季风环流季季风环流。冬季冬季:大陆比海洋温度低,大陆的气压比海洋的
7、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冬季季风环流。最著名的是东南亚季风区东南亚季风区。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。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,其方向与夏季季风正相反。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。一、风的形成一、风的形成 季节性变化特点明显,日夜变化也有规律季节性变化特点明显,日夜变化也有规律海陆风海陆风 海风海风:白昼时,大陆表面空气的升温速度较快,气流流
8、向海洋。白昼时,大陆表面空气的升温速度较快,气流流向海洋。大陆表面形成低压区,近地层海洋产生高压区,海平面上大陆表面形成低压区,近地层海洋产生高压区,海平面上 的空气向陆地流动。的空气向陆地流动。47m/s 陆风陆风:夜间,海洋释放热量,气流降温较慢,地面降温较快,从而夜间,海洋释放热量,气流降温较慢,地面降温较快,从而 使地表的空气从陆地流向海面,使地表的空气从陆地流向海面,2m/s一、风的形成一、风的形成 海陆风是由海陆热力差异引起的,其影响范围仅局限于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。沿海,风向变换以一天为周期。中纬度地区中纬度地区:海风可以从海
9、岸线深入陆地海风可以从海岸线深入陆地50km。低纬度地区低纬度地区:海风风速可达海风风速可达48m/s,陆风一般只有,陆风一般只有13m/s。一、风的形成一、风的形成 山谷风山谷风 “谷风谷风”:在山区,白天风从山谷吹向山坡;在山区,白天风从山谷吹向山坡;“山风山风”:到夜间,风从山坡吹向山谷。到夜间,风从山坡吹向山谷。山风和谷风统称为山风和谷风统称为山谷风山谷风,其形成原理与海陆风相似,其形成原理与海陆风相似,会生成很会生成很强的气流,进而形成强风强的气流,进而形成强风.谷风的平均速度为谷风的平均速度为2 24m/s4m/s,有时可达,有时可达7 710m/s10m/s。谷风通过。谷风通过山
10、隘时风速加大。山风比谷风小一些。谷风所达厚度一般为谷山隘时风速加大。山风比谷风小一些。谷风所达厚度一般为谷底以上底以上5005001000m1000m。一、风的形成一、风的形成 焚风焚风 定义定义:当气流跨越山脊时,背风面产生一种热而干燥的风。:当气流跨越山脊时,背风面产生一种热而干燥的风。条件条件:山岭两面气压不同的条件下发生。:山岭两面气压不同的条件下发生。分析分析:山岭一侧是:山岭一侧是高气压高气压,另一侧是,另一侧是低气压低气压时,空气从高气压区向时,空气从高气压区向低气压区流动。受山阻碍被迫上升,气压降低,空气膨胀,温度低气压区流动。受山阻碍被迫上升,气压降低,空气膨胀,温度也随之降
11、低。空气每上升也随之降低。空气每上升100m100m,气温则下降,气温则下降0.60.6。空气上升到一。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变得定高度时,水汽遇冷凝结,形成雨水。空气到达山脊附近后变得稀薄干燥,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。空气每下降紧密且温度增高。空气每下降100m100m,气温则会上升,气温则会上升11。因此,空。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。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。背风面空气的温度也总是比
12、迎风面的高。每当背风山坡刮炎热干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。燥的焚风时,迎风山坡却常常下雨或落雪。危害危害:会造成果木和农作物的干枯,形成森林大火。当然也可以加: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。速冬季积雪融化,利于早点使草木生长。一、风的形成一、风的形成 n风的大小风的大小随机性: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。风速由平均风和脉动风组成风速由平均风和脉动风组成平均风速大小与测量点有关,平均风速大小与测量
13、点有关,我国规定标准高度为我国规定标准高度为10m10m,风力等级采用风力等级采用18051805年英国人年英国人浦福拟定浦福拟定2.2 风的特性二、风的特性二、风的特性 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。二、风的特性二、风的特性 平均风速平均风速l风速风速是指空气的移动速度,单位时间内空气微团移动是指空气的移动速度,单位时间内空气微团移动的距离。的距离。l瞬时风速瞬时风速称为有效风速,即实际发生作用的风速,通称为有效
14、风速,即实际发生作用的风速,通常指很短时间间隔内的风速。常指很短时间间隔内的风速。l平均风速平均风速是很长时间内风速的平均值,实际上是在较是很长时间内风速的平均值,实际上是在较长时间范围内,多次风速测量的平均值,即长时间范围内,多次风速测量的平均值,即我国规定时间间隔我国规定时间间隔10min10min二、风的特性二、风的特性 风速随高度的增加而变化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。障碍物的磨擦所造成的。风剪切:风剪切:风速随距地面的高度增加而变化的规律风速随距地面的高度增加而变化的
15、规律 l对数率变化对数率变化:距地面距地面100m100m高度范围内高度范围内二、风的特性二、风的特性 l指数率变化指数率变化 多数国家采用的经验指数分布多数国家采用的经验指数分布 我国我国n n取取0.160.160.200.20二、风的特性二、风的特性 n平均风速变化因素:平均风速变化因素:p随时间变化随时间变化p随地形地貌变化随地形地貌变化障碍物的影响障碍物的影响n随时间随时间(日和季节日和季节)均发生变化均发生变化n地形地貌地形地貌山脉的影响山脉的影响风速受障碍物和地形影响较大风速受障碍物和地形影响较大当穿越粗糙表面,风速和风向迅速地发生改变。在障碍物的附近产生很强的湍流,并下风方向远
16、处逐渐减弱,减小风力机的有效功率,且会增加风力机的疲劳载荷。二、风的特性二、风的特性 障碍物对风速的影响障碍物对风速的影响 在垂直方向,最大高度达障碍物高度在垂直方向,最大高度达障碍物高度的的2 2倍倍。风力机叶片最低点是。风力机叶片最低点是3 3倍倍障碍障碍物高度时,则障碍物对风力机的影响物高度时,则障碍物对风力机的影响可以忽略。但若风力机前有较多障碍可以忽略。但若风力机前有较多障碍物时,则此时必须考虑障碍物的影响。物时,则此时必须考虑障碍物的影响。在风电场选址时应考虑到附近区域的在风电场选址时应考虑到附近区域的障碍物。障碍物。二、风的特性二、风的特性 湍流强度和延伸长度与障碍物的高度有关。
17、湍流区长度可湍流强度和延伸长度与障碍物的高度有关。湍流区长度可高达障碍物的高达障碍物的2 2倍倍,背风侧湍流延伸长度可达障碍物高度,背风侧湍流延伸长度可达障碍物高度的的10102020倍倍。而且障碍物高宽比越小,湍流衰减越快;高。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,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湍流区长度可以达到障碍物高度的3535倍倍。对于长而地表沿坡度平缓的山脊,对于长而地表沿坡度平缓的山脊,其其顶部及迎风面的上半部顶部及迎风面的上半部一般都是最好一般都是最好的风场;而在其背风面,因可能存
18、在湍的风场;而在其背风面,因可能存在湍流而不设置风力机。流而不设置风力机。山脉对风的影响山脉对风的影响二、风的特性二、风的特性 山脊、丘陵和悬崖的形态极大地影响着风廓线。光滑的山山脊、丘陵和悬崖的形态极大地影响着风廓线。光滑的山脊会脊会加速加速穿越的气流,这是因风通过山脊时受阻压缩而引起的。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,对风速影响更加决定了加速的程度,表面裸露时,对风速影响更加明显。明显。若山脊的斜率为若山脊的斜率为616,则加速明显;但若斜率,则加速明显;但若斜率超过超过27或低于或低于3,则加速不明显,不利于风力发电。,则
19、加速不明显,不利于风力发电。另一重要因素是另一重要因素是山脊走向山脊走向。若盛行风的方向与脊线。若盛行风的方向与脊线垂直垂直,则加速,则加速效应更明显。若山脊脊线与盛行风效应更明显。若山脊脊线与盛行风平行平行,则对风速无加速效应。,则对风速无加速效应。山的缺口、走向与风平行,风速会提高,俗称为山的缺口、走向与风平行,风速会提高,俗称为“风口风口”。当风当风穿越山区障碍物之间的间隙时,由于穿越山区障碍物之间的间隙时,由于喷管效应喷管效应,速度会增强。间隙,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。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
20、之间的间隙面向风向,则是一个极佳的风电厂址。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。二、风的特性二、风的特性 n平均风速分布平均风速分布通常用通常用双参数威布尔分布或瑞利分布描述双参数威布尔分布或瑞利分布描述双参数威布尔分布双参数威布尔分布平均风速的变化是随机的平均风速的变化是随机的数理统计数理统计具有统计规律具有统计规律概率分布函数概率分布函数概率密度函数概率密度函数二、风的特性二、风的特性 K=2为为瑞利分布瑞利分布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向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向空气由东向西流动叫东风,由南向北流动叫南风,以此类
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