風(fēng)能與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

前言

　　太陽的輻射總能量約3?75×1026W（3750萬萬萬億千瓦），它不斷向宇宙空間傳播，其中20億分之一的能量到達(dá)地球的大氣層。經(jīng)大氣層反射、吸收，最后有8×1013千瓦（80萬億千瓦）太陽能到達(dá)地球表面。到達(dá)地球表面的太陽輻射能量約有2％轉(zhuǎn)化為風(fēng)能。估計(jì)全球風(fēng)能總量約2?74×109MW(2?74萬億千瓦)，其中可利用的風(fēng)能為2×107MW（200億千瓦），比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。按目前太陽質(zhì)量消耗率計(jì)，太陽能可供地球用6×1010（600億）年?？梢?，太陽能和風(fēng)能可以說是取之不盡、用之不竭的能量。　　我國風(fēng)能資源豐富，總儲量為32億千瓦。陸地上可開發(fā)利用的風(fēng)能資源為2?53億千瓦，加上近海的風(fēng)能資源，全國可開發(fā)利用的總風(fēng)能資源約10億千瓦以上，居世界首位?！　★L(fēng)力機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種動力機(jī)械，廣義地說，風(fēng)力機(jī)是以太陽為熱源、以大氣為工質(zhì)的熱能轉(zhuǎn)換的葉片式發(fā)動機(jī)。風(fēng)車就是最早的一種風(fēng)力機(jī)械，最早出現(xiàn)在波斯?！　∪祟惱蔑L(fēng)能的歷史可以追溯到公元前。公元前2世紀(jì)，古波斯人就利用垂直軸風(fēng)車碾米。公元前數(shù)世紀(jì)，中國人就開始利用風(fēng)力來提水灌溉、磨面、舂米，用風(fēng)帆推動船舶等。歐洲第一臺風(fēng)力機(jī)出現(xiàn)在公元1100年左右，用于磨面和抽水。18世紀(jì)末期，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)車的結(jié)構(gòu)和性能都有了很大提高，已能采用手控和機(jī)械式自控機(jī)構(gòu)改變?nèi)~片槳距來調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。　　風(fēng)力機(jī)用于發(fā)電的設(shè)想最早始于19世紀(jì)末。1887年，美國人Brush建造了第一臺發(fā)電用風(fēng)力機(jī)，可為350盞白熾燈和3個發(fā)動機(jī)提供電力。到1918年，丹麥已擁有風(fēng)力發(fā)電機(jī)120臺，額定功率為5～25kW不等。　　第一次世界大戰(zhàn)后，飛機(jī)螺旋槳技術(shù)和近代氣體動力學(xué)理論為風(fēng)輪葉片的設(shè)計(jì)創(chuàng)造了條件，出現(xiàn)了現(xiàn)代高速風(fēng)力機(jī)。第二次世界大戰(zhàn)前后，歐洲國家和美國相繼建造了一批大型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。1941年，美國建造了一臺雙葉片、風(fēng)輪直徑達(dá)53?3m的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)速為13?4m/s時(shí)，輸出功率達(dá)1250kW。　　1957年，Juul建造的風(fēng)力機(jī)已初具現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)雛形，風(fēng)力機(jī)由1個發(fā)電機(jī)和3個旋轉(zhuǎn)葉片組成?！　?0世紀(jì)80年代，美國成功開發(fā)了100kW、200kW、2000kW、2500kW、6200kW、7200kW6種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組?！　∧壳笆澜缱钪娘L(fēng)力機(jī)設(shè)備制造商有：丹麥Vestas風(fēng)力系統(tǒng)公司、美國GE風(fēng)能公司、德國Enercon公司、西班牙Gamesa公司、德國Siemens公司、印度Suzlon公司、丹麥Bonus公司、德國Repower公司、德國Nordex公司、日本MHI公司、西班牙Made公司、丹麥NEGMicon公司等。　　本書共分8章，第1章是有關(guān)風(fēng)與風(fēng)能的基本知識；第2～3章是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)；第4～5章專門講風(fēng)輪機(jī)的工程設(shè)計(jì)方法和數(shù)值計(jì)算；第6章分析典型大型風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)，可供風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)參考；第7章介紹了風(fēng)力機(jī)的發(fā)電系統(tǒng)，重點(diǎn)是系統(tǒng)，介紹它們與化石燃料汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的不同；第8章簡要介紹了幾種特殊用途的風(fēng)力機(jī)，例如海上風(fēng)力機(jī)、低溫地區(qū)風(fēng)力機(jī)、高原地區(qū)風(fēng)力機(jī)和免齒輪箱直接驅(qū)動式風(fēng)力機(jī)等。它們與一般風(fēng)力機(jī)大同小異，只是根據(jù)使用地點(diǎn)環(huán)境不同，加入一些特殊措施。本章就是在分析這些不同點(diǎn)的基礎(chǔ)上著重介紹這些措施?！　★L(fēng)輪機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)風(fēng)速的確定問題放在第4章。拋磚引玉，希望得到專家們的指正。一些有關(guān)風(fēng)力機(jī)的基礎(chǔ)資料，例如風(fēng)力等級、風(fēng)力機(jī)技術(shù)國家標(biāo)準(zhǔn)等放在附錄，供大家參考?！　”緯?007年1月出版以來，承蒙廣大讀者的厚愛，很快銷售一空，五次印刷還不能滿足讀者的要求。我國臺灣出版商和讀者也深感興趣，買去了版權(quán)，已在中國臺灣地區(qū)出版發(fā)行。本書修訂版章節(jié)和內(nèi)容都做了大的改動，將以最新的面目與讀者見面，幫助讀者對風(fēng)力發(fā)電和風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)的最新技術(shù)有較全面地認(rèn)識?！　|方汽輪機(jī)廠是目前國內(nèi)最大的風(fēng)力機(jī)制造商之一，已完成1500kW風(fēng)力機(jī)引進(jìn)批量生產(chǎn)和投運(yùn)，以及1000kW、2000kW、2500kW、5000kW等風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)，1000kW已經(jīng)樹起樣機(jī)，2500kW風(fēng)力機(jī)正在試制。2008年產(chǎn)出813臺1500kW風(fēng)力機(jī)，2009年產(chǎn)出1500kW風(fēng)力機(jī)1400臺。2008年東汽的風(fēng)力機(jī)產(chǎn)量位居全國前三?！　”緯脑侔嬗植殚喠舜罅繀⒖嘉墨I(xiàn)，訂正更新了與時(shí)間相關(guān)的數(shù)據(jù)資料，并增加了許多最新資料。在此再次對文獻(xiàn)作者致謝！　　再次感謝幫助過本書編著的同事、朋友們，沒有他們的幫助也就沒有本書。　　編著者　　2010年1月15日

內(nèi)容概要

本書介紹了有關(guān)風(fēng)力發(fā)電的基本知識和技術(shù),通俗地分析了風(fēng)的形成、風(fēng)的分類和風(fēng)能定量評估。詳細(xì)闡述了風(fēng)輪機(jī)的基本工作原理、工程設(shè)計(jì)方法和風(fēng)輪機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)；對風(fēng)輪機(jī)的結(jié)構(gòu)、空氣動力學(xué)特性、安全運(yùn)行、風(fēng)力機(jī)發(fā)電系統(tǒng)及風(fēng)輪機(jī)材料等進(jìn)行了說明和分析。對風(fēng)輪機(jī)的一些特殊問題，例如變速/恒頻技術(shù)、迎風(fēng)調(diào)節(jié)、風(fēng)輪葉片材料和制造、風(fēng)電場優(yōu)化分析、風(fēng)資源對性能的影響等搜集了大量的數(shù)據(jù)資料供參考查詢。    本書第二版除全部訂正了和時(shí)間相關(guān)的數(shù)據(jù)外，還增加了風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)要求、大型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)和特殊用途用風(fēng)力機(jī)(海上風(fēng)力機(jī)、低溫風(fēng)力機(jī)、高原風(fēng)力機(jī)和直接驅(qū)動式風(fēng)力機(jī))等內(nèi)容，使本書更具工程參考價(jià)值，對風(fēng)電從業(yè)人員更加適用。    本書適合于從事風(fēng)電領(lǐng)域內(nèi)工作的工程師和技術(shù)人員閱讀參考，也適合作為高等院校熱動力專業(yè)的教學(xué)參考書，對想了解風(fēng)能發(fā)電的讀者也是一本極好的科普讀物。

書籍目錄

第1章  風(fēng)與風(fēng)能  1.1  風(fēng)  1.2  風(fēng)能  1.3  風(fēng)電場選址  1.4  風(fēng)電場風(fēng)能資源評估第2章  風(fēng)能發(fā)電  2.1  風(fēng)力機(jī)的型式  2.2  風(fēng)能發(fā)電  2.3  并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電的價(jià)值分析  2.4  風(fēng)力發(fā)電裝置  2.5  大中型風(fēng)電場設(shè)計(jì)  2.6  風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的優(yōu)化分析  2.7  風(fēng)力機(jī)安全運(yùn)行第3章  風(fēng)力發(fā)電技術(shù)  3.1  功率調(diào)節(jié)  3.2  變轉(zhuǎn)速運(yùn)行  3.3  發(fā)電機(jī)變轉(zhuǎn)速/恒頻技術(shù)  3.4  風(fēng)輪機(jī)迎風(fēng)技術(shù)  3.5  風(fēng)電品質(zhì)  3.6  風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)和空氣動力學(xué)  3.7  風(fēng)力機(jī)控制技術(shù)第4章  風(fēng)輪機(jī)設(shè)計(jì)  4.1  風(fēng)輪機(jī)的基本理論  4.2  風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)要求  4.3  風(fēng)輪機(jī)工程設(shè)計(jì)  4.4  風(fēng)輪機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)  4.5  風(fēng)輪機(jī)?；O(shè)計(jì)  4.6  風(fēng)輪機(jī)工程設(shè)計(jì)圖例  4.7  風(fēng)輪機(jī)的設(shè)計(jì)與制造  4.8  風(fēng)輪機(jī)材料  4.9  風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)速問題第5章  風(fēng)輪機(jī)和風(fēng)電場數(shù)值計(jì)算  5.1  風(fēng)電場數(shù)值模型  5.2  風(fēng)輪機(jī)設(shè)計(jì)軟件  5.3  風(fēng)電場數(shù)值計(jì)算軟件包  5.4  風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)軟件包的開發(fā)  5.5  風(fēng)力機(jī)可靠性數(shù)值研究第6章  大型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)  6.1  250～1200kW風(fēng)力機(jī)系列  6.2  1000kW級風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)  6.3  1500kW級風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)  6.4  2000kW級風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)  6.5  2500 kW級風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)  6.6  3000kW級風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)  6.7  5000kW級風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)第7章  風(fēng)力機(jī)發(fā)電系統(tǒng)第8章  特殊用途風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)附錄參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　在山前，通過山脊紊流提高，風(fēng)速由于角度的不斷增大，廓線向右推移，也就是說風(fēng)速隨高度變化不大。紊流變化很小，氣流在緊貼山面流過，很快開始斷裂，當(dāng)斜度越過1：3時(shí)，紊流發(fā)生變化?！　?.3 風(fēng)電場選址　　風(fēng)電場選址的好壞對風(fēng)力發(fā)電預(yù)期出力能否達(dá)到有著關(guān)鍵的作用。風(fēng)能的供應(yīng)受著多種自然因素的復(fù)雜支配，特別是大的氣候背景及地形和海陸的影響。由于風(fēng)能在空間分布上是分散的，在時(shí)間分布上它也是不穩(wěn)定和不連續(xù)的，也就是說，風(fēng)速對氣候非常敏感，時(shí)有時(shí)無，時(shí)大時(shí)小。但風(fēng)能在時(shí)間和空間分布上有很強(qiáng)的地域性，所以選擇品位較高的地址，除了利用已有的氣象資料外，還要利用流體力學(xué)原理，研究大氣流動的規(guī)律，因?yàn)榇髿馐且环N流體，它具有流體的基本特性，所以首先選擇有利的地形，進(jìn)行分析篩選，判斷可能建風(fēng)電場的地點(diǎn)，再進(jìn)行短期（至少1年）的觀測。并結(jié)合電網(wǎng)、交通、居民點(diǎn)等因素進(jìn)行社會和經(jīng)濟(jì)效益的計(jì)算。最后確定最佳風(fēng)電場的地址。

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