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(第三章风能基础-新能源

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    • 1、1,新能源利用技术,王一平 教授 天津大学化工学院 2013.5.13,第三章 风能,3.1 风能基础 3.2 风力发电 3.3 风力机的特性,3.1风能基础,风的概述 风能 风能利用方式,4,一、风的概述,太阳照射导致大气温差,形成压差,最终导致大气流动风 流动的动能来自于密度不同或气压差异 根本原因是太阳辐射 日照强度 日照时间,1、风的形成,5,辐射越强,气温越高;辐射越弱,气温越低。 纬度越低,气温越高;纬度越高,气温越低。 气温越低,气压越高;气温越高,气压越低。 大气总是由气压高的地方,吹向气压低的地方,从而形成了风。 因此,风的形成是空气流动的结果。,6,2、地球的气压带和风带,根据气压大小及其形成的风,地球上形成了不同的气压带和风带。 分布着七个气压带和六个风带。,7,赤道低气压带 副热带高气压带(2个) 副极地低气压带(2个) 极低高气压带 (2个),(1) 气压带,8,(2) 风带,东北信风带 东南信风带 西风带(2个) 极地东风带 (2个),9,(3)大气环流示意,北纬30度至60度之间的大气环流系统,赤道与南北纬30度之间的大气环流系统,北纬60度至北极之间的大

      2、气环流系统,10,在一个大范围地区内,它的盛行风向或气压系统明显受季节变化,这种在一年内随着季节不同有规律转变风向的风,称为季风。 季风盛行地区的气候,成为季风气候。 沙尘暴的发生,3、季风,11,气压 地转偏向力 季节 海陆差异海陆风 地形差异山谷风 风随高度变化的规律 风随时间的变化,4、影响风的因素,12,(1)海陆风,有海陆差异的地区,白昼(夏季)时,大陆上的气流受热膨胀上升至高空流向海洋,到海洋上空冷却下降,近海面上的空气吹向大陆,补偿大陆的上升气流,称为海风。 夜间(冬季)时,情况相反,低层空气从大陆吹向海洋,成为陆风。,13,白昼海陆风,夜间陆海风,15,在山区,由于白天山坡受热快,温度高于山谷同高度的空气温度,山坡上的暖空气从坡地流向谷地上方,谷地的空气则沿着山坡向上弥补流失的空气,从而形成由山谷吹向山坡的风,称为谷风。 夜间,山坡因辐射冷却,降温快,冷空气沿坡地流下山谷,称为山风。,(2) 山谷风,16,谷风的形成,山风的形成,18,高度对风速的影响,其经验公式很多,通常采用指数公式:,(3) 风随高度变化的规律,n:经验指数,取决于大气稳定度和地面粗糙度,大小约为1

      3、/2-1/8,19,(4)风随时间的变化,一天中的变化: 白天:地面空气温度升高,上下空气热交换,地面形成风。 夜间:地面附近空气很快冷却,对流停止,风微弱。但高空空气温度较高,形成对流。测风塔,21,(1) 风向 (2) 风速,5、描述风的参数,风是矢量(Vector),既有大小,又有方向。,22,(1)风向的测量与表示方法,风向标 风玫瑰图,风玫瑰图,一个给定地点指定时间段内风向分布图。 可以了解到:主导风向和大小。,16个方向 长度与风的频度成正比 指示风速范围 静风放在中间,24,(2) 风速的测量与表示方法,风速计 风速和风级,与风速相对应的气象用语是风级,风级与风速的大小关系,25,26,公式描述:,27,二、风能(Wind Energy),运动的空气所具有的动能。,1、风能,28,1、风所具有的能量,2、风能密度,2、风能的表示方法,单位时间垂直流过单位面积的风能,又称为风功率密度。,4、有效风能密度,在一定风速范围内的风能密度。,3、平均风能密度 由于风速是一个随机性很大的量,必须通过一定时间的观测来了解它的平均状况。,30,3、风能的特点,无污染 可再生 储量巨大 分

      4、布广泛,不稳定 密度低 地区差异大,优点:,缺点:,31,4、地球上的风能资源,据估计,地球上风能约为2.74*109 MW,可以利用的风能为2*107MW,是地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。,中国风能资源居世界之首,中国陆地10M高度层的风能总储量为3.226*106MW,这个储量称作“理论可开发总量”,实际可开发的风能资源储量为2.53*105MW。 我国风能北方强而南方弱,沿海强而内陆弱,平原强而山区弱,冬春强而夏秋弱。,5、我国风能资源,33,年有效风能密度大小 风速=3m/s的年累积小时数,(1)区划指标 反映风能资源多富的指标,34,(a)风能丰富区() 东南沿海、山东半岛和辽东半岛沿海区(A) 三北地区(B) 松花江下游区(C) (b)风能较丰富区() 东南沿海内陆和渤海沿海区(D) 三北南部区(E) 青藏高原区(F),(2)区域分布,35,(c)风能可利用区() 两广沿海区(G) 大小兴安岭区(H) 中部地区(I) (d)风能欠缺区() 川云贵和南岭山地区(J) 雅鲁藏布江和江都区(K) 塔里木盆地西部区(L),36,3000年前的商代:开始出现帆船; 唐代:“

      5、乘风破浪会有时,直挂云帆济沧海”; 明代:郑和下西洋; 明代后:宋应星天工开物有:“扬郡以风帆数扇,俟风转车,风息则止”; 方以智著的物理小识有:“用风帆六幅,车水灌田,淮阳海皆为之”; 中国沿海沿江地区的风帆船和用风力提水灌溉或制盐的做法,一直延续到20世纪50年代; 20世纪70年代,先后试制了1、2、10、12、18、20KW样机,其中18KW机组于1972年7月安装在浙江省绍兴县雄鹅峰上,1976年11月迁装到嵊泗县菜园镇运转发电,一直运行到1986年8月。,6、中国利用风能历史,38,中国古代风车,郑和下西洋(风帆推动船舶前进),7、欧洲利用风能的历史,12世纪风车从中东传入欧洲; 16世纪,荷兰人利用风车排水、与海争地,在低洼的海滩上建国立业; 在蒸汽机出现之前,风力机械是动力机械的一大支柱,但因竞争不过蒸汽机、内燃机等而被淘汰; 19世纪丹麦人首先研制了风力发电机; 1891年,丹麦建成世界第一座风力发电站,单机容量KW; 20世纪70年代后,风力发电蓬勃发展; 21世纪中叶,风能成为世界能源供应的支柱之一。,5000年前的埃及壁画,公元前600年风车,42,18世纪的荷

      6、兰风车,美国的风车抽水,第一台风力发电机,20世纪80年代美国California的风电场,三、风能利用方式,风能是利用风力机将风能转化为电能、热能、 机械能等各种形式的能量。主要利用方式: 风力发电 风力泵水 风帆助航 风力致热,1、风力发电,风力发电通常有三种运行方式。 独立运行方式,通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力,它用蓄电池蓄能,以保证无风时的用电; 风力发电与其它发电方式(如柴油机发电)相结合,向一个单位或一个村庄或一个海岛供电; 风力发电并入常规电网运行,向大电网提供电力,常常是一处风场安装几十台甚至几百台风力发电机,这是风力发电的主要发展方向。,风力发电,海上风力发电,2、风力泵水,采用风轮,传动装置将风能转化为机械能,将水由深井中的水压管中抽出。,风力提水机 3吨/小时-15吨/小时,风力提水机 15吨/小时-50吨/小时,现代风力泵水机根据用途可以分为两类: 一类是高扬程小流量的风力泵水机,它与活塞泵相配提取深井地下水,主要由于草原、牧区,为人畜提供饮水; 另一类是低扬程大流量的风力泵水机,它与螺旋泵相配,提取河水、湖水或海水,主要由于农田灌溉、水产养殖或制盐。,3、风力助航,为节约燃油和提高航速,风帆助航也得到了发 展。航运大国日本已经在万吨级货船上采用电 脑控制的风帆助航,节油率达15%。,4、风力致热,“风力致热”是将风能转换成热能。 三种转换方法。 一是风力机发电,再将电能通过电阻丝发热,变成热能,由于风能转换成电能的效率较低,因此从能量利用的角度来看,该方法不可取。 二是由风力机将风能转换成空气压缩能,再转换成热能,即由风力机带动一离心压缩机,对空气进行绝热压缩再而放出热能。 三是将风力机直接转换成热能。显然第三种方法致热效率最高。风力机直接转换热能也有多种方法。最简单的是搅拌液体致热,即风力机带动搅拌器转动,从而使液体(水或油)变热。,太阳能利用有哪些基本方法?简述其工作原理。 班级,姓名,学号!,谢谢大家!,

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