20五月2025第四章

風能及其利用2第二節

風力提水技術一、風力提水現狀目前我國生產運行中的風力提水機約3000臺，主要分布在東南沿海制鹽，江蘇、河北農田灌排，三北人畜飲水及小型草場灌溉等。我國的常用風力提水機按其使用技術指標可分為低揚程大流量型、中揚程大流量型、高揚程小流量型。1、低揚程大流量風力提水機組低揚程大流量風力提水機組是由低速或中速風力機與鋼管鏈式水車或螺旋泵相匹配形成的一類提水機組。它可以提取河水、海水等地表水，用于鹽場制鹽、農田排水、灌溉和水產養殖等作業。機組揚程為0.5～3m，流量可達50～100m3／h。風力提水機的風輪直徑為5～7m，風輪軸的動力通過兩對錐齒輪傳遞給水車或螺旋泵，從而帶動水車或水泵提水。這類風力機的風輪能夠自動迎風，一般采用側翼--﹣配重調速機構進行自動調速。2、中揚程大流量風力提水機組中揚程大流量風力提水機組是由高速槳葉匹配容積式水泵組成的提水機組。這類風力提水機組的風輪直徑為5～6m，揚程為10～20m，流量為15～25m3／h。這類風力提水機用于提取地下水，進行農田灌溉或人工草場的灌溉。這種機組中的風力機一般均為流線型升力槳葉風力機，性能先進、適用性強，但造價高于傳統式風車。3、高揚程小流量風力提水機組高揚程小流量風力提水機組是由低速多葉片立軸風力機與活塞水泵相匹配組成的。這類機組的風輪直徑一般為2～6m，揚程為20～100m，流量為0.5～5m3／h，主要用于提取深井地下水。這類機組主要在我國西北部、北部草原牧區為人畜提供清潔飲用水或為小面積草場提供灌溉用水。這類提水機是通過曲柄連桿機構把風輪軸的旋轉運動變為活塞泵的往復直線運動進行提水作業的。風輪的對風一般都是通過尾翼來自動調整的，并采用風輪偏置﹣尾翼掛接軸傾斜方法進行自動調速。

三種風力提水機的性能指標二、發展風力提水業的前景1、進一步擴大灌溉面積是糧食增產的重要突破口。2、在中低產田的改良中，澇、漬鹽堿地占有較大的比重，這些土地的改良措施主要是排水。3、在畜牧業生產中，開展灌溉人工草場和高產飼草料地是克服草原畜牧業脆弱性，抵御自然災害發生，促進畜牧業穩產、高產的根本途徑。機組揚程流量風輪直徑低揚程大流量0.5～3m50～100m3/h5～7m中揚程大流量10～20m15～25m3/h5～6m高揚程小流量20～100m0.5～5m3/h2～6m第三節

風力制熱技術風力致熱是將風機輸出軸的機械能直接轉化為熱能的技術，風力致熱的能量利用率高，對風質要求低，對風況變化的適應性強，蓄能問題也便于解決。另外，風力致熱裝置的結構比較簡單，且容易滿足風力機對負荷的最佳匹配要求。因此，隨著社會發展對熱能需求的增長，將風力致熱技術應用于生活采暖及農業生產等，具有廣闊的發展前景。根據熱力學定律，由高品位能量到低品位能量的轉換，其理論效率可達100％。理想風力機的轉換效率約為60％，實際應用的風力機效率一般僅為理想風力機效率的70％。通常，風力機提水時的效率只有16％左右，發電時的轉換效率為30％，而風力致熱的轉換效率則可以達到40％。風力致熱主要有液體攪拌致熱、液體擠壓致熱、固體摩擦致熱和渦電流法致熱四種方式，其中研究較多的是液體攪拌致熱和液體擠壓致熱。1、液體攪拌致熱液體攪拌致熱是在風輪的轉軸上連接一個攪拌轉子，轉子上裝有葉片，將攪拌轉子置于裝滿液體的攪拌罐內，罐的內壁為定子，也裝有葉片。當風輪帶動轉子葉片轉動時，轉子攪拌液體，液體在轉子葉片、定子葉片及容器壁之間做渦流運動，并不斷撞擊、摩擦，將機械能轉換為熱能，提高了液體的溫度，從而得到所需的熱能。攪拌致熱裝置容易制造、無易磨損件，對載熱介質無嚴格要求。在整個工作過程中，將投入的能量全部轉換為熱能，能很好地與風力機輸出功率特性相匹配，功率系數大。2、液體擠壓致熱液體擠壓致熱是利用液壓泵和阻尼孔來進行致熱，風力機輸出軸驅動液壓泵旋轉，使液壓油從狹小的阻尼孔高速噴出，高速噴出的油與尾流管中的低速油相沖擊。油液高速通過阻尼孔時，由于分子間的互相沖擊和摩擦而加速分子的運動，油液的動能變成熱能，油溫上升。由于是液體間的沖擊和摩擦，故不會因磨損、燒損等問題損壞致熱裝置，因此，液體擠壓致熱的可靠性較高。3、致熱工質的選擇致熱工質是風力致熱器設計的重要組成部分，關系到風力致熱器的體積和系統的致熱效率。液體攪拌致熱依靠液體的撞擊摩擦將機械能轉換為熱能。牛頓內摩擦定律揭示：由于流體的粘滯性，在相互滑動的各層之間會產生流體的內摩擦力，由它們把運動傳遞到各相鄰的流體層，使流動較快的層減速，而流動較慢的層加速，形成按一定規律變化的流速分布。風力致熱器在風速過低、過大和無風的情況下都不能工作，風速小的時候還有可能出現致熱功率不足等問題。第四節

風力發電一、風力發電發展簡史風力發電是在大量利用風力提水的基礎上產生的，最早起源于丹麥。早在1890年，丹麥政府就制定了一項風力發電計劃，經過18年的努力，制造出首批72臺單機功率為5～25kW的風力發電機，又經過十年的努力，發展到120臺。時至今日，丹麥已成為世界上生產風力發電設備的大國。我國是世界上利用風能最早的國家之一。用帆式風車提水已有1700多年的歷史，在農業灌溉和鹽池提水中起到過重要的作用。從20世紀70年代開始，在國家有關部門的領導和協調下，我國開始小型風力發電機的研制，并取得了明顯進展，實現了小型機組的國產化，且在內蒙古等地區得到較廣泛的應用。隨著科學技術水平的進一步提高，風力發電將更有競爭力，其清潔和安全性更符合綠色社會可持續發展的政策。二、風力發電的原理及系統組成1、風力發電的原理風力發電是利用風力帶動風車葉片旋轉，再通過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電。即把風的動能→機械動能→電力動能。依據目前的風車技術，大約3m/s的微風速度（微風的程度）便可以開始發電。典型的風力發電系統是由風能資源、風力發電機組、控制裝置、蓄能裝置、備用電源、電能用戶組成。其中風力風電機組是整個系統的核心部分，按照其收集風能的結構形式及在空間的布置，可分為水平軸風力發電機和垂直軸風力發電機，其中前者應用遠多于后者，小型風力發電系統效率很高，基本結構如圖示。其工作原理是：風輪在風力作用下旋轉，將風的動能轉化為機械能，發電機在風輪軸的帶動下旋轉發電。1-－風輪（集風裝置）；2－傳動裝置；3－塔架；4－調向器（尾翼）；5－限速調速裝置；6－發電機2、風力發電系統的組成（1）風輪（集風裝置）集風裝置的作用是將流動空氣具有的動能轉變為風輪旋轉的機械能。一般由2～3個葉片和輪轂組成。小型風力機的葉片通常采用優質木材加工制成，表面涂上保護漆，其根部與輪轂相接處使用良好的金屬接頭并用螺栓擰緊，采用玻璃纖維或其他復合材料蒙皮的風力機則效果更好。總的說來，除部分小型風力機的葉片采用木質材料外，中、大型風力機的葉片今后都傾向于采用玻璃纖維或高強度的復合材料。輪轂是風輪的樞紐，也是葉片根部與主軸的連接件，風力機葉片都要裝在輪轂上，所有從葉片傳來的力，都通過輪轂傳遞到傳動系統，再傳到風力機驅動的對象。同時輪轂也是控制葉片槳距（使葉片做俯仰轉動）的所在，因此在設計中應保證足夠的強度，并力求結構簡單化，在可能條件下（如采用葉片失速控制），葉片采用定槳距結構，也就是將葉片固定在輪轂上（無俯仰轉動），這樣不但能簡化結構設計，提高壽命，而且能有效地降低成本。（2）發電機目前風能利用中有三種風力發電機，即直流發電機、同步交流發電機和異步交流發電機。小功率風力發電機多采用同步或異步交流發電機，因為風量的不穩定性，故其輸出的是電壓變化的交流電，須經過整流裝置轉換成直流電，再對蓄電池充電，使風力發電機產生的電能變成化學能，然后用有保護電路功能的逆變電源把蓄電池里的化學能轉變成交流220V市電，才能保證穩定使用。（3）調向器（偏航系統）調向器的作用是盡量使風力發電機的風輪隨時都迎著風向，最大限度地獲得風能，一般采用尾翼控制風輪的迎風朝向。常用的調向器主要有以下三種：①尾舵：主要用于小型風力發電機，它的優點是能夠自主地對準風向，不需要特殊控制。由于尾舵調向裝置結構笨重，因此很少應用于中型以上的風力機②側風輪在機艙的側面安裝一個小風輪，其旋轉軸與風輪主軸垂直，如果主風輪沒有對準風向，則側風輪會被風吹動，從而產生偏向力，并通過蝸輪蝸桿機構使主風輪轉到對準風向為止。③風向跟蹤系統為了達到更好的對風效果，對于大型風力發電機組，一般采用電動機驅動的風向跟蹤系統。整個偏航系統由電動機、減速機構、偏航調節系統和扭纜保護裝置等部分組成，偏航調節系統包括風向標和偏航系統調節軟件。風向標的主要作用是對應每一個風向都有一個相應的脈沖輸出信號，并通過偏航系統軟件確定其偏航方向和偏航角度，然后將偏航信號放大傳送給電動機，通過減速機構轉動風力機平臺，直到對準風向為止。如果機艙在同一方向偏航超過3圈以上時，則扭纜保護裝置開始動作，執行解纜，直到機艙回到位置時解纜停止。（4）限速安全裝置安裝限速安全裝置是為了保證風力發電機安全運行。風輪轉速過高或發電機超負荷都會危及風力發電機安全運行。限速安全裝置能保證風輪的轉速在一定的風速范圍內運行。除了限速裝置外，風力發電機還設有專門的制動裝置，在風速過高時可以使風輪停轉，保證特大風速下風力發電機的安全。限速裝置有各種各樣的類型，但從原理上來看大致有以下三類：使風輪偏離風向超速保護、利用氣動阻力制動、改變葉片的槳距角調速。①偏離風向超速保護對于小型風力機，為了簡化結構，其葉片一般是固定在輪轂上。在遇上超過設計風速的強風時，為了避免風輪超速轉動甚至葉片被吹毀，常采用使風輪水平或垂直旋轉的辦法，以便偏離風向，從而達到超速保護的目的。這種裝置的關鍵是把風輪軸設計成偏離軸心一個水平或垂直的距離，從而產生一個偏心距。同時安裝一副彈簧，一端系在與風輪構成一體的偏轉體上，一端固定在機座底盤或尾桿上，并預調彈簧力，使在設計風速內風輪偏轉力矩小于或等于彈簧力矩。當風速超過設計風速時，風輪偏轉力矩大于彈簧力矩，使風輪向偏心距一側水平或垂直旋轉，直到風輪受力力矩與彈簧力矩相平衡，風速恢復到設計風速以內時，風輪偏轉力矩小于彈簧力矩，使風輪向軸側水平或垂直旋轉，恢復到設計的繞軸心運轉狀態。極限狀態下，如在遇到強風時，可使風輪轉到與風向相平行，以達到停轉，保護風力機不被吹毀。②利用氣動阻力制動該裝置將減速板鉸接在葉片端部，與彈簧相連。在正常情況下，減速板保持在與風輪軸同心的位置，當風輪超速時，減速板因所受的離心力對鉸接軸的力矩大于彈簧張力的力矩，從而繞軸轉動成為擾流器，增加風輪阻力，起到減速作用。當風速降低后它們又回到原來位置。③變槳距調速采用變槳距方式除了可以控制轉速外，還可以減小轉子和驅動鏈中各部件的壓力，并允許風力機在很大的風速下運行，因而應用相當廣泛。在中小型風力機中，采用離心調速方式比較普遍，即利用槳葉或安裝在風輪上的重錘所受的離心力來進行控制。當風輪轉速增加時，旋轉配重或槳葉的離心力隨之增加并壓縮彈簧，使葉片的槳距角改變，從而使受到的風力減小，以降低轉速。當離心力等于彈簧張力時，即達到平衡位置。（5）塔架風力機的塔架是風力發電系統重要的基礎平臺，除了要支撐風力機的重量，還要承受吹向風力機和塔架的風壓以及風力機運行中的動載荷，應滿足很高的剛度要求。它的剛度和風力機在轉動過程中由于振動產生的動載荷有密切關系。如果說塔架對小型風力機影響還不太明顯的話，對大、中型風力機的影響就不容忽視了。水平軸風力發電機的塔架主要可分為管柱型和桁架型兩類。管柱型塔架可從最簡單的木桿，一直到大型鋼管和混凝土管柱。小型風力機塔桿為了增加抗彎矩的能力，可以用拉線來加強；中、大型塔桿為了運輸方便，可以將鋼管分成幾段。一般來說，管柱型塔架對風的阻力較小，特別是對于下風向風力機，產生紊流的影響要比桁架型塔架小。桁架型塔架常用于中、小型風力機上，其優點是造價不高，運輸也方便，但這種塔架會使下風向風力機的葉片產生很大的紊流。（6）蓄電池蓄電池是發電系統中一個非常重要的部件，多采用汽車用鉛酸蓄電池、近年來國內有些廠家也開發出了適用于風能、太陽能應用的專用鉛酸蓄電池。另外，還可以選用鎘鎳堿性