风能的基本特征.doc

风能的基本特征-风能的计算
一个国家的风能资源状况是由该国的地理位置、季节、地形等特点决定的。目前通常采用的评价风能资源开发利用潜力的主要指标是有效风能密度和年有效风速时数。有效风速是指3~20m/s的风速，有效风能密度是根据有效风速计算的风能密度。
风能的大小实际就是气流流过的动能，总体上说，风能大小与风速和风能密度有关，但是计算起来二者不是相等的关系。必须指出，风的能量大小与风速是成立方关系，也就是说，在风能密度没有多大变化时，风速的大小将是风能的决定因素。风能大小与气流通过的面积、空气密度和气流速度的立方成正比。因此，在风能计算中，最重要的因素是风速，风速取值准确与否对风能的估计有决定性作用，风速大1倍，风能可以大8倍。
风能的基本特征——风速
各地风能资源的多少，主要取决于该地每年刮风的时间长短和风的强度如何。所以在谈这个问题之前要涉及到一些关于风能的最基本知识，了解风的某些特性，例如风速、风级、风能密度等。风的大小常用风的速度来衡量，风速是单位时间内空气在水平方向上所移动的距离。专门测量风速的仪器，有旋转式风速计、散热式风速计和声学风速计等。它是计算在单位时间内风的行程，常以m/s 、km/h 、mile/h 等来表示。因为风是不恒定的，所以风速经常变化，甚至瞬息万变。风速是风速仪在一个极短时间内测到的瞬时风速。若在指定的一段时间内测得多次瞬时风速，将它平均计算起来，就得到平均风速。例如日平均风速、月平均风速或年平均风速等。当然，风速仪设置的高度不同，所得风速结果也不同，它是随高度升高而增强的。通常测风高度为10m 。根据风的气候特点，一般选取年风速资料中年平均风速最大、最小和中间的三个年份为代表年份，分别计算该三个年份的风功率密度然后加以平均，其结果可以作为当地常年平均值。风速是一个随机性很大的量，必须通过一定长度时间的观测计算出平均风功率密度。对于风能转换装置而言，可利用的风能是在“启动风速”到“停机风速”之间的风速段，这个范围的风能即“有效风能”，该风速范围内的平均风功率密度称为“有效风功率密度”。
风能的基本特征——风级
风级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风力的强度等级来估计风力的大小。早在1805年，英国人蒲褐就拟定了风速的等级，国际上称为“蒲褐风级”。自1946年以来风力等级又做了一些修订，由13个等级改为18个等级，实际上应用的还是0~12级的风速，所以最大的风速人们常说刮12级台风。
风能的基本特征——风能密度
通过单位截面积的风所含的能量称为风能密度，常以w/m2来表示。风能密度是决定风能潜力大小的重要因素。风能密度和空气的密度有直接关系，而空气的密度则取决于气压和温度。因此，不同地方、不同条件的风能密度是不同的。一般说，海边地势低，气压高，空气密度大，风能密度也就高。在这种情况下，若有适当的风速，风能潜力自然大。高山气压低，空气稀薄，风能密度就小些。但是如果高山风速大，气温低，仍然会有相当的风能潜力。所以说，风能密度大，风速又大，则风能潜力最好。
风力发电蓄能方式——电解水制氢蓄能
众所周知,电解水可以制氢，而且氢可以贮存，在风力发电系统中采用电解水制氢蓄能，就是在用电负荷小时，将风力发电机组提供的多余电能用来电解水，使氢和氧分离，把电能贮存起来。当用电负荷增大，风力减弱或无风时，使贮存的氢和氧在燃料电池中进行化学反应而直接产生电能，继续向负荷供电，从而保证供电的连续性。故这种蓄能方式是将随机的不可贮存的风能转换为氢能贮存起来，而制氢、贮氢及燃料电池则是这种蓄能方式的关键技术和部件。燃料电池是一种化学电池。其作用原理是把燃料氧化时所释放出来的能量通过化学变化转化为电能。在以氢作燃料时，就是利用氢和氧化合时的化学变化所释放出来的化学能，通过电极反应，直接转化为电能。从反应式看出，除产生电能外，只产生水。因此，利用燃料电池发电是一种清洁的发电方式，而且由于没有运动条件，工作起来更安全可靠。利用燃电池发电的效率很高，例如碱性燃料电池的发电效率可达50%~70%。在这种蓄能方式中，氢的贮存也是一个重要环节。贮氢技术有多种形式，其中以金属氧化物贮氢最好，其贮氢密度高，优于气体贮氢及液态贮氢，不需要高压和绝热的容器，安全性能好。近年国外还研制出一种再生式燃料电池，这种燃料电池既能利用氢氧化合直接产生电能，反过来应用它也可以电解水而产生氢和氧。毫无疑问，电制水制氢蓄能是一种高效、清洁、无污染、工作安全、寿命长的蓄能方式。但燃料电池及贮氢装置的费用则较贵
风力发电蓄能方式——抽水蓄能
这种蓄能方式在地形条件合适的地区可以采用 所谓地形条件合适就是在安装风力发电机的地点附近有高地 在高地处可以建造蓄水池或水库 而在低地处有水 当风力强而用电负荷所需要的电能少时 风力发电机发出的多余的电能驱动抽水机 将低地处的水抽到高处的蓄水池或水库中转换为水的位能储存起来 在无风期或是风力较弱时则将高地蓄水池或水库中储存的水释放出来流向低地水池 利用水流的动能推动水轮机转动 并带动与之连接的发电机发电 从而保证用电负荷不断电 实际上 这时已是风力发电和水力发电同时运行 共同向负荷供电 当然 在无风期 只要是在高地蓄水池或水库中有一定的蓄水量 就可靠水力发电来维持供电。
风力发电蓄能方式——蓄电池蓄能
在独立运行的小型风力发电系统中，广泛使用蓄电池作为蓄能装置。蓄电池的作用是当风力较强或用电负荷减小时，可以将来自风力发电机发出的电能中的一部分蓄存在蓄电池中，也就是向蓄电池充电。当风力较弱，无风或用电负荷增大时，蓄存在蓄电池中的电能向负荷供电，以补足风力发电机所发电能的不足，达到维持向负荷持续稳定供电的作用。风力发电系统中常用的蓄电池有铅酸电池（亦称铅蓄电池）和镍镉电池（亦称碱性蓄电池）。单格铅酸蓄电池的电动势约为2V，单格碱性蓄电池的电动势约为1.2v左右，将多个单格蓄电池串联组成蓄电池组，可获得不同的蓄电池组电势。例如12、24、36v等。当外电路闭合时，蓄电池正负两极间的电位差即为蓄电池的端电压（亦称电压），蓄电池的端电压在充电和放电过程中，电压是不相同。充电时蓄电池的电压高于其电动势，放电时蓄电池的电压低于其电动势，这是因为蓄电池有内阻的缘故，且蓄电池的内阻随温度的变化比较明显。蓄电池的容量以Ah表示。容量为100Ah的蓄电池代表该蓄电池，若放电电流为10A可连续放电10h，若放电电流为5A，则可连续放电20h。在放电过程中，蓄电池的电压随着放电而逐渐降低。放电时铅酸蓄电池的电压不能低于1.4~1.8v， 碱性蓄电池的电压不能低于0.8~1.1v。 蓄电池放电时的最佳电流值为10h放电率电流 蓄电池的最佳充电电流值等于其最佳放电电流值。蓄电池经过多次充电及放电以后，其容量会降低 当蓄电池的容量降低到其额定值的80% 以下时，就不能再使用了，也就是蓄电池有一定的使用寿命。影响蓄电池寿命的因素很多，如充电或放电过度，蓄电池的电解液浓度太大或纯度降低以及在高温环境下使用等都会使蓄电池的性能变坏、降低蓄电池的使用寿命。
风力发电蓄能方式——飞轮蓄能
从运动力学知道，做旋转运动的物体皆具有动能，此动能也称为旋转的惯性能。这部分增加的动能即储存在旋转体中，反之，若旋转物体的旋转角速度减小，则有部分旋转的惯性动能被释放出来，同时由动力学原理知，旋转物体的转动惯量与旋转物体的重力及旋转部分的惯性直径有关。风力发电系统中采用飞轮蓄能，即是在风力发电机的轴系上安装一个飞轮，利用飞轮旋转时的惯性储能原理。当风力强时，风能即以动能的形式储存在飞轮中，当风力弱时，储存在飞轮中的动能则释放出来驱动发电机发电。采用飞轮蓄能可以平抑由于风力起伏而引起的发电机输出电能的波动 改善电能的质量。风力发电系统中采用的飞轮，一般多由钢制成，飞轮的尺寸大小则视系统所需储存和释放能量的多少而定。
风力发电蓄能方式——压缩空气蓄能
与抽水蓄能方式相似，这种蓄能方式也需要特定的地形条件，即需要有挖掘的地坑或是废弃的矿坑或是地下的岩洞。当风力强，用电负荷少时，可将风力发电机发出的多余的电能驱动一台由电动机带动的空气压缩机，将空气压缩后储存在地坑内。而在无风期或用电负荷增大时，则将储存在地坑内的压缩空气释放出来，形成高速气流，从而推动蜗轮机转动， 并带动风力发电机发电。