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出版者:

作者:Gipe, Paul

出品人:

页数:192

译者:

出版时间:2009-11

价格:$ 33.84

装帧:

isbn号码:9781603580304

丛书系列:

图书标签:

• 风能
• 可再生能源
• 能源工程
• 风力发电
• 能源技术
• 可持续发展
• 电力系统
• 环境工程
• 能源政策
• 风能基础

《风力能源基础》 一、 前言 在这个日益关注可持续发展和清洁能源的时代，风力发电作为一种重要的可再生能源，正扮演着越来越关键的角色。从曾经的民间传说中的巨大风车，到如今遍布陆地和海洋的现代化风力发电场，风力发电技术经历了漫长而辉煌的演变。然而，风力发电并非仅仅是高耸入云的叶片旋转那么简单，它背后蕴含着深刻的科学原理、精密的工程设计以及复杂的系统运行。 《风力能源基础》旨在为广大读者提供一个全面、深入且易于理解的风力发电入门指南。本书并非仅仅罗列枯燥的技术术语，而是力求以清晰的逻辑、生动的案例和循序渐进的方式，带领读者一同探索风能的奥秘，理解风力发电机的工作原理，并认识风电在能源结构中的重要地位。无论您是能源领域的初学者，对风力发电充满好奇的学生，还是希望了解这项技术的行业专业人士，本书都将是您开启风力发电知识之旅的理想起点。 本书内容覆盖了风力发电的各个关键方面，从最基础的风能形成原理，到各种风力发电机型的设计与应用，再到风电场的规划、建设与运行维护，以及风电对电网的影响与未来的发展趋势。我们不仅会深入剖析风力发电机的空气动力学原理，还将探讨材料科学、机械设计、电气工程在风力发电中的作用。同时，本书也关注风电行业的发展现状，包括政策法规、经济效益以及环保考量，力求为读者呈现一个立体、全景式的风力发电图景。 我们相信，通过阅读《风力能源基础》，您将能够： 深刻理解风能的来源和特性： 了解地球大气的运动规律，以及如何将这些自然风能转化为可用的电能。 掌握风力发电机的工作原理： 了解不同类型风力发电机的结构、组成部分以及它们如何协同工作。 认识风电场的整体布局与运行： 学习风电场的设计原则，包括选址、布局、并网以及日常运行维护。 洞察风电在能源转型中的作用： 理解风力发电在应对气候变化、保障能源安全方面的价值。 展望风力发电的未来发展： 了解当前技术前沿和未来的发展方向，例如海上风电、智能风电等。 本书的撰写过程，我们始终坚持以科学严谨的态度，结合最新的行业动态和研究成果，力求内容的准确性和前沿性。同时，我们注重语言的通俗易懂，避免使用过于专业化的术语，并在必要时进行详细解释，确保每一位读者都能轻松理解。我们希望本书不仅是一本知识的宝库，更是一扇打开您对清洁能源世界好奇心的大门。 二、 风能的来源与基本原理 风，是地球大气层中空气的流动现象。而驱动这一流动，最根本的动力源于太阳。太阳辐射在地球表面分布不均，造成了地表不同区域温度的差异。受热不均的空气会发生膨胀，密度降低，从而上升；而温度较低区域的空气密度较大，会下沉。这种由温度和压力差异引起的空气流动，便形成了风。 1. 太阳辐射与温差： 赤道与极地： 地球赤道地区接收到的太阳辐射最多，温度最高；而两极地区接收的太阳辐射最少，温度最低。这种显著的温度差异驱动着大气环流。 陆地与海洋： 陆地比热容小，升温降温快；海洋比热容大，升温降温慢。白天，陆地升温快，形成低压区，海洋形成高压区，风从海洋吹向陆地（海风）；夜晚，陆地降温快，形成高压区，海洋相对温度较高，形成低压区，风从陆地吹向海洋（陆风）。 地形地貌： 山脉、峡谷等地形也会影响气流，例如山谷风和山脊风。 2. 大气环流与科里奥利力： 除了温度差异，地球的自转也对风的形成和方向产生重要影响。地球自转产生的科里奥利力（Coriolis force）会使运动的物体（包括空气）在北半球向右偏转，在南半球向左偏转。这种力的作用，使得地球的大气环流形成了复杂的模式，如信风、西风带和极地东风带等。这些全球性的风带为风力发电提供了稳定的能量来源。 3. 风能的形态： 风携带的能量主要以动能的形式存在。风速越大，单位体积空气的动能就越大。风的动能与空气密度和风速的立方成正比。这意味着，风速的微小增加，都会显著提升风能的蕴含量。例如，风速从 5 m/s 增加到 10 m/s，风能将增加八倍。 4. 风能的利用： 将风能转化为可用的机械能或电能，是风力发电的核心。最常见的形式就是利用风力驱动风力发电机。风力发电机通过叶片捕捉风的动能，叶片旋转带动发电机转子，进而产生电能。 三、 风力发电机类型与结构 风力发电机是风力发电的核心设备，其设计的多样性反映了对不同风况、不同规模发电需求的适应。目前，主流的风力发电机可以从多个维度进行分类，其中最常见的分类是按叶片旋转轴的方向分为水平轴风力发电机（HAWT）和垂直轴风力发电机（VAWT）。 1. 水平轴风力发电机 (HAWT): 这是目前最普遍、技术最成熟的风力发电机类型，其叶片旋转轴与地面平行。 主要组成部分： 叶片 (Rotor Blades): 通常为三叶片设计，材质多为玻璃纤维或碳纤维复合材料，其特殊的气动外形能够高效地捕捉风能。叶片的角度（桨距）可以调节，以控制发电机的输出功率和在强风下的安全运行。 轮毂 (Hub): 将叶片连接到主轴的部件。 传动系统 (Drivetrain): 包括主轴、齿轮箱（部分直驱发电机无）和发电机。齿轮箱的作用是将叶片较低的旋转速度提升到发电机所需的较高转速。 机舱 (Nacelle): 容纳传动系统、发电机、控制系统和制动系统等关键部件的壳体，通常位于塔筒顶部。 塔筒 (Tower): 支撑机舱和叶片的结构，材质多为钢材或混凝土，高度对风能的获取至关重要，因为越高的地方风速通常越大且越稳定。 偏航系统 (Yaw System): 负责使机舱和叶片始终朝向来风方向，以最大化能量捕获。 变桨系统 (Pitch System): 负责调节叶片的角度，以控制发电机的输出功率和保护设备免受过载。 优势： 效率高，技术成熟，易于安装和维护（相对而言），是目前大规模风电场的主流选择。 劣势： 需要偏航系统来始终对准风向，起动风速相对较高。 2. 垂直轴风力发电机 (VAWT): 其叶片旋转轴垂直于地面。VAWT 根据其叶片的受力方式又可细分为升力型和阻力型。 升力型 (Darrieus-type): 利用翼型叶片产生的升力驱动旋转，效率较高。 阻力型 (Savonius-type): 利用风的阻力驱动旋转，结构简单，起动性能好，但效率较低，常用于小型风力发电或辅助用途。 优势： 不受风向限制，可以安装在地面附近，方便维护，噪声相对较小，适合城市或近海等特殊环境。 劣势： 效率通常低于同等规模的 HAWT，技术成熟度相对较低，在大规模应用方面不如 HAWT。 3. 直驱式风力发电机 (Direct Drive): 近年来，直驱式风力发电机（通常为水平轴）越来越受欢迎。它取消了齿轮箱，将叶片直接连接到发电机转子上。 优势： 结构更简单，减少了传动损耗，提高了可靠性，降低了维护成本，同时噪声也更小。 劣势： 发电机尺寸较大，重量也相对较重。 四、 风力发电机组的选型与功率曲线 风力发电机组的选型是风电场开发的关键决策之一，需要综合考虑项目所在地的风况、场地条件、电网接入能力以及经济性等多种因素。 1. 风况评估： 风速分布： 详细了解项目场地的年平均风速、风速的季节性和昼夜变化、不同风速出现的频率等。 风向玫瑰图： 分析主导风向以及风向的稳定性，有助于风场布局。 湍流强度： 高湍流强度会增加风力发电机的疲劳载荷。 2. 发电机组参数： 额定功率 (Rated Power): 发电机在额定风速下能够输出的最大功率。 额定风速 (Rated Wind Speed): 发电机达到额定功率时的风速。 切入风速 (Cut-in Wind Speed): 风力发电机开始发电时的最低风速。 切出风速 (Cut-out Wind Speed): 为保护设备，风速超过此值时发电机将停止运行。 功率曲线 (Power Curve): 这是描述风力发电机组在不同风速下输出功率的图表。功率曲线是评估发电机组性能和预测发电量的关键依据。 3. 功率曲线的解读： 功率曲线通常以风速为横坐标，输出功率为纵坐标。 切入区： 在切入风速以下，风速不足以驱动发电机发电。 上升区： 从切入风速到额定风速之间，风速增加，输出功率迅速增加，通常近似为风速的立方关系。 平台区： 在额定风速达到或超过额定风速时，发电机组会通过变桨系统等控制手段，将输出功率稳定在额定功率，以避免设备过载。 切出区： 在切出风速以上，风力过大，为保证设备安全，发电机组停止运行。 4. 选型考量： 低风速地区： 选择切入风速较低、功率曲线在低风速区表现良好的发电机组。 高风速地区： 选择能够承受高风载、功率曲线在额定风速附近更优的发电机组。 风场规模： 大规模风场通常选择大功率、高效率的机组；小型分散式发电则可能选择小型、易于安装的机组。 成本效益： 综合考虑机组的初始投资、发电量、运行维护成本等，选择经济效益最优的机组。 五、 风力发电场的规划与建设 一个成功的风力发电场，不仅仅是简单地将风力发电机组堆砌起来，而是需要一套严谨的规划、设计和建设流程。 1. 选址评估 (Site Assessment): 风资源评估： 这是最核心的环节，通过多年的风速测量数据和模型分析，精确评估场地风能潜力。 地形地貌： 评估场地的平坦程度、坡度、土壤承载能力，对风机基础施工的影响。 环境影响评估 (EIA): 考察项目对当地生态环境、野生动物、景观、噪声等方面的影响，并制定缓解措施。 电网接入条件： 评估现有电网容量、输电距离、变电站接入点等，确保产生的电力能够顺利并网。 交通运输条件： 评估大型构件（叶片、塔筒段、机舱）运输到场地的可行性。 社会经济因素： 了解当地社区的态度、土地使用权、政策法规等。 2. 风力发电场设计 (Wind Farm Layout Design): 风机布局： 科学的布局能够最大化风场总发电量，并减少风机之间的尾流效应（一个风机产生的紊乱气流会影响下游风机的性能）。通常采用“间隔法”或“优化算法”来确定风机间距和排列。 集电线路设计： 连接各个风机发电机组，并将其汇集到升压站的电力线路。 升压站设计： 将风机产生的较低电压交流电升压至电网所需的高电压。 道路与基础设施： 规划建设维护道路，以及必要的办公、仓储等设施。 3. 建设施工 (Construction): 基础施工： 根据地质条件和风机载荷，建造坚固的风机基础（通常为混凝土基础）。 塔筒安装： 吊装塔筒段，并逐节连接。 机舱吊装： 将重达数十吨甚至上百吨的机舱吊装到塔筒顶部。 叶片安装： 最后，将巨大的叶片逐一安装到轮毂上。 电气连接与调试： 完成风机内部及风场集电线路的连接，并对所有设备进行全面的测试和调试。 4. 并网发电 (Grid Connection): 风力发电场产生的电力通过升压站，连接到高压输电线路，最终输送到用户端。 六、 风力发电的经济性与环境效益 风力发电不仅是清洁能源的代表，其经济性也在不断提升，成为全球能源结构转型的重要驱动力。 1. 经济效益： 度电成本逐年下降： 随着技术的进步、规模化生产和供应链的成熟，风力发电的度电成本（LCOE）已经大幅降低，在许多地区已经能够与传统化石能源相竞争。 稳定的发电成本： 一旦风力发电机组建成并投入运行，其主要的发电成本（燃料成本）几乎为零，这使得风电的运营成本相对稳定且可预测。 政策支持与补贴： 各国政府为推动可再生能源发展，通常会提供税收优惠、上网电价补贴（FiT）等政策支持，进一步提升了风电的经济竞争力。 创造就业机会： 风电产业链的各个环节，从研发、制造、安装、运维到项目管理，都能创造大量的就业岗位。 2. 环境效益： 零温室气体排放： 风力发电过程中不产生二氧化碳、甲烷等温室气体，是应对气候变化、减少空气污染的有效手段。 减少空气污染物： 相较于燃煤、燃气发电，风电不产生二氧化硫、氮氧化物、颗粒物等大气污染物，有助于改善空气质量，保护公众健康。 节约水资源： 大多数风力发电机组在运行过程中几乎不消耗水资源，而传统的火电厂则需要大量的水用于冷却。 土地利用多样性： 风力发电场通常占用较少的地面面积，其余土地可以继续用于农业、畜牧业或其他用途，实现了土地的复合利用。 3. 挑战与考量： 尽管风力发电的经济性和环境效益显著，但也面临一些挑战： 间歇性与波动性： 风的不可控性导致风电输出不稳定，需要配备储能技术或灵活的电网调度来保证供电可靠性。 初期投资大： 风力发电机组、输电线路及升压站的建设需要较高的初期投资。 对生态环境的影响： 如对鸟类、蝙蝠的潜在影响，以及视觉和噪声影响，需要通过科学的选址和技术手段来规避或减缓。 七、 未来展望 风力发电技术仍在不断发展，未来将朝着更高效、更智能、更具竞争力的方向前进。 更大功率的单机容量： 新一代的风力发电机单机容量不断刷新纪录，例如 15MW 甚至更高的海上风电机组，这将显著降低风电的度电成本。 海上风电的蓬勃发展： 海上风力资源通常比陆地更丰富、更稳定，且受限于土地用途的可能性较小。未来，海上风电将成为风电发展的重要增长点，尤其是在深远海区域的漂浮式风力发电机技术，将极大地扩展风电的开发潜力。 智能化与数字化： 利用大数据、人工智能、物联网等技术，实现风力发电场的预测性维护、远程监控、智能调度，进一步提高运行效率和可靠性。 储能技术的融合： 结合先进的储能技术（如电池储能、抽水蓄能等），能够有效解决风电的间歇性问题，提高电网的稳定性。 与其他能源形式的协同： 风电将与太阳能、氢能等其他清洁能源形式协同发展，构建更加多元化、低碳化的未来能源系统。 材料科学的突破： 新型轻质高强材料的研发，将有助于制造更轻、更长的叶片，以及更耐用的设备。 《风力能源基础》 相信，通过对风能科学原理的深入理解，对风力发电机技术的全面掌握，以及对风电发展趋势的清晰认知，我们能够更好地拥抱这场绿色能源革命，为构建一个可持续的未来贡献力量。本书希望能成为您探索风力发电世界的可靠伙伴。

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