20五月2025第四章

風(fēng)能及其利用2第二節(jié)

風(fēng)力提水技術(shù)一、風(fēng)力提水現(xiàn)狀目前我國生產(chǎn)運(yùn)行中的風(fēng)力提水機(jī)約3000臺(tái)，主要分布在東南沿海制鹽，江蘇、河北農(nóng)田灌排，三北人畜飲水及小型草場灌溉等。我國的常用風(fēng)力提水機(jī)按其使用技術(shù)指標(biāo)可分為低揚(yáng)程大流量型、中揚(yáng)程大流量型、高揚(yáng)程小流量型。1、低揚(yáng)程大流量風(fēng)力提水機(jī)組低揚(yáng)程大流量風(fēng)力提水機(jī)組是由低速或中速風(fēng)力機(jī)與鋼管鏈?zhǔn)剿嚮蚵菪孟嗥ヅ湫纬傻囊活愄崴畽C(jī)組。它可以提取河水、海水等地表水，用于鹽場制鹽、農(nóng)田排水、灌溉和水產(chǎn)養(yǎng)殖等作業(yè)。機(jī)組揚(yáng)程為0.5～3m，流量可達(dá)50～100m3／h。風(fēng)力提水機(jī)的風(fēng)輪直徑為5～7m，風(fēng)輪軸的動(dòng)力通過兩對(duì)錐齒輪傳遞給水車或螺旋泵，從而帶動(dòng)水車或水泵提水。這類風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪能夠自動(dòng)迎風(fēng)，一般采用側(cè)翼--﹣配重調(diào)速機(jī)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)速。2、中揚(yáng)程大流量風(fēng)力提水機(jī)組中揚(yáng)程大流量風(fēng)力提水機(jī)組是由高速槳葉匹配容積式水泵組成的提水機(jī)組。這類風(fēng)力提水機(jī)組的風(fēng)輪直徑為5～6m，揚(yáng)程為10～20m，流量為15～25m3／h。這類風(fēng)力提水機(jī)用于提取地下水，進(jìn)行農(nóng)田灌溉或人工草場的灌溉。這種機(jī)組中的風(fēng)力機(jī)一般均為流線型升力槳葉風(fēng)力機(jī)，性能先進(jìn)、適用性強(qiáng)，但造價(jià)高于傳統(tǒng)式風(fēng)車。3、高揚(yáng)程小流量風(fēng)力提水機(jī)組高揚(yáng)程小流量風(fēng)力提水機(jī)組是由低速多葉片立軸風(fēng)力機(jī)與活塞水泵相匹配組成的。這類機(jī)組的風(fēng)輪直徑一般為2～6m，揚(yáng)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(jī)組主要在我國西北部、北部草原牧區(qū)為人畜提供清潔飲用水或?yàn)樾∶娣e草場提供灌溉用水。這類提水機(jī)是通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)把風(fēng)輪軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榛钊玫耐鶑?fù)直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行提水作業(yè)的。風(fēng)輪的對(duì)風(fēng)一般都是通過尾翼來自動(dòng)調(diào)整的，并采用風(fēng)輪偏置﹣尾翼掛接軸傾斜方法進(jìn)行自動(dòng)調(diào)速。

三種風(fēng)力提水機(jī)的性能指標(biāo)二、發(fā)展風(fēng)力提水業(yè)的前景1、進(jìn)一步擴(kuò)大灌溉面積是糧食增產(chǎn)的重要突破口。2、在中低產(chǎn)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(yè)生產(chǎn)中，開展灌溉人工草場和高產(chǎn)飼草料地是克服草原畜牧業(yè)脆弱性，抵御自然災(zāi)害發(fā)生，促進(jìn)畜牧業(yè)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的根本途徑。機(jī)組揚(yáng)程流量風(fēng)輪直徑低揚(yáng)程大流量0.5～3m50～100m3/h5～7m中揚(yáng)程大流量10～20m15～25m3/h5～6m高揚(yáng)程小流量20～100m0.5～5m3/h2～6m第三節(jié)

風(fēng)力制熱技術(shù)風(fēng)力致熱是將風(fēng)機(jī)輸出軸的機(jī)械能直接轉(zhuǎn)化為熱能的技術(shù)，風(fēng)力致熱的能量利用率高，對(duì)風(fēng)質(zhì)要求低，對(duì)風(fēng)況變化的適應(yīng)性強(qiáng)，蓄能問題也便于解決。另外，風(fēng)力致熱裝置的結(jié)構(gòu)比較簡單，且容易滿足風(fēng)力機(jī)對(duì)負(fù)荷的最佳匹配要求。因此，隨著社會(huì)發(fā)展對(duì)熱能需求的增長，將風(fēng)力致熱技術(shù)應(yīng)用于生活采暖及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等，具有廣闊的發(fā)展前景。根據(jù)熱力學(xué)定律，由高品位能量到低品位能量的轉(zhuǎn)換，其理論效率可達(dá)100％。理想風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)換效率約為60％，實(shí)際應(yīng)用的風(fēng)力機(jī)效率一般僅為理想風(fēng)力機(jī)效率的70％。通常，風(fēng)力機(jī)提水時(shí)的效率只有16％左右，發(fā)電時(shí)的轉(zhuǎn)換效率為30％，而風(fēng)力致熱的轉(zhuǎn)換效率則可以達(dá)到40％。風(fēng)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(fēng)輪的轉(zhuǎn)軸上連接一個(gè)攪拌轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上裝有葉片，將攪拌轉(zhuǎn)子置于裝滿液體的攪拌罐內(nèi)，罐的內(nèi)壁為定子，也裝有葉片。當(dāng)風(fēng)輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子攪拌液體，液體在轉(zhuǎn)子葉片、定子葉片及容器壁之間做渦流運(yùn)動(dòng)，并不斷撞擊、摩擦，將機(jī)械能轉(zhuǎn)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(duì)載熱介質(zhì)無嚴(yán)格要求。在整個(gè)工作過程中，將投入的能量全部轉(zhuǎn)換為熱能，能很好地與風(fēng)力機(jī)輸出功率特性相匹配，功率系數(shù)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(jìn)行致熱，風(fēng)力機(jī)輸出軸驅(qū)動(dòng)液壓泵旋轉(zhuǎn)，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(shí)，由于分子間的互相沖擊和摩擦而加速分子的運(yùn)動(dòng)，油液的動(dòng)能變成熱能，油溫上升。由于是液體間的沖擊和摩擦，故不會(huì)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(zhì)的選擇致熱工質(zhì)是風(fēng)力致熱器設(shè)計(jì)的重要組成部分，關(guān)系到風(fēng)力致熱器的體積和系統(tǒng)的致熱效率。液體攪拌致熱依靠液體的撞擊摩擦將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能。牛頓內(nèi)摩擦定律揭示：由于流體的粘滯性，在相互滑動(dòng)的各層之間會(huì)產(chǎn)生流體的內(nèi)摩擦力，由它們把運(yùn)動(dòng)傳遞到各相鄰的流體層，使流動(dòng)較快的層減速，而流動(dòng)較慢的層加速，形成按一定規(guī)律變化的流速分布。風(fēng)力致熱器在風(fēng)速過低、過大和無風(fēng)的情況下都不能工作，風(fēng)速小的時(shí)候還有可能出現(xiàn)致熱功率不足等問題。第四節(jié)

風(fēng)力發(fā)電一、風(fēng)力發(fā)電發(fā)展簡史風(fēng)力發(fā)電是在大量利用風(fēng)力提水的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，最早起源于丹麥。早在1890年，丹麥政府就制定了一項(xiàng)風(fēng)力發(fā)電計(jì)劃，經(jīng)過18年的努力，制造出首批72臺(tái)單機(jī)功率為5～25kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，又經(jīng)過十年的努力，發(fā)展到120臺(tái)。時(shí)至今日，丹麥已成為世界上生產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的大國。我國是世界上利用風(fēng)能最早的國家之一。用帆式風(fēng)車提水已有1700多年的歷史，在農(nóng)業(yè)灌溉和鹽池提水中起到過重要的作用。從20世紀(jì)70年代開始，在國家有關(guān)部門的領(lǐng)導(dǎo)和協(xié)調(diào)下，我國開始小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制，并取得了明顯進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了小型機(jī)組的國產(chǎn)化，且在內(nèi)蒙古等地區(qū)得到較廣泛的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)水平的進(jìn)一步提高，風(fēng)力發(fā)電將更有競爭力，其清潔和安全性更符合綠色社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的政策。二、風(fēng)力發(fā)電的原理及系統(tǒng)組成1、風(fēng)力發(fā)電的原理風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再通過增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。即把風(fēng)的動(dòng)能→機(jī)械動(dòng)能→電力動(dòng)能。依據(jù)目前的風(fēng)車技術(shù)，大約3m/s的微風(fēng)速度（微風(fēng)的程度）便可以開始發(fā)電。典型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是由風(fēng)能資源、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、控制裝置、蓄能裝置、備用電源、電能用戶組成。其中風(fēng)力風(fēng)電機(jī)組是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，按照其收集風(fēng)能的結(jié)構(gòu)形式及在空間的布置，可分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其中前者應(yīng)用遠(yuǎn)多于后者，小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)效率很高，基本結(jié)構(gòu)如圖示。其工作原理是：風(fēng)輪在風(fēng)力作用下旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，發(fā)電機(jī)在風(fēng)輪軸的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)發(fā)電。1-－風(fēng)輪（集風(fēng)裝置）；2－傳動(dòng)裝置；3－塔架；4－調(diào)向器（尾翼）；5－限速調(diào)速裝置；6－發(fā)電機(jī)2、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的組成（1）風(fēng)輪（集風(fēng)裝置）集風(fēng)裝置的作用是將流動(dòng)空氣具有的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。一般由2～3個(gè)葉片和輪轂組成。小型風(fēng)力機(jī)的葉片通常采用優(yōu)質(zhì)木材加工制成，表面涂上保護(hù)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(fù)合材料蒙皮的風(fēng)力機(jī)則效果更好?？偟恼f來，除部分小型風(fēng)力機(jī)的葉片采用木質(zhì)材料外，中、大型風(fēng)力機(jī)的葉片今后都傾向于采用玻璃纖維或高強(qiáng)度的復(fù)合材料。輪轂是風(fēng)輪的樞紐，也是葉片根部與主軸的連接件，風(fēng)力機(jī)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(dòng)系統(tǒng)，再傳到風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)的對(duì)象。同時(shí)輪轂也是控制葉片槳距（使葉片做俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)）的所在，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)保證足夠的強(qiáng)度，并力求結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，也就是將葉片固定在輪轂上（無俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)），這樣不但能簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高壽命，而且能有效地降低成本。（2）發(fā)電機(jī)目前風(fēng)能利用中有三種風(fēng)力發(fā)電機(jī)，即直流發(fā)電機(jī)、同步交流發(fā)電機(jī)和異步交流發(fā)電機(jī)。小功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)多采用同步或異步交流發(fā)電機(jī)，因?yàn)轱L(fēng)量的不穩(wěn)定性，故其輸出的是電壓變化的交流電，須經(jīng)過整流裝置轉(zhuǎn)換成直流電，再對(duì)蓄電池充電，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能變成化學(xué)能，然后用有保護(hù)電路功能的逆變電源把蓄電池里的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成交流220V市電，才能保證穩(wěn)定使用。（3）調(diào)向器（偏航系統(tǒng)）調(diào)向器的作用是盡量使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪隨時(shí)都迎著風(fēng)向，最大限度地獲得風(fēng)能，一般采用尾翼控制風(fēng)輪的迎風(fēng)朝向。常用的調(diào)向器主要有以下三種：①尾舵：主要用于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，它的優(yōu)點(diǎn)是能夠自主地對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向，不需要特殊控制。由于尾舵調(diào)向裝置結(jié)構(gòu)笨重，因此很少應(yīng)用于中型以上的風(fēng)力機(jī)②側(cè)風(fēng)輪在機(jī)艙的側(cè)面安裝一個(gè)小風(fēng)輪，其旋轉(zhuǎn)軸與風(fēng)輪主軸垂直，如果主風(fēng)輪沒有對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向，則側(cè)風(fēng)輪會(huì)被風(fēng)吹動(dòng)，從而產(chǎn)生偏向力，并通過蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)使主風(fēng)輪轉(zhuǎn)到對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向?yàn)橹?。③風(fēng)向跟蹤系統(tǒng)為了達(dá)到更好的對(duì)風(fēng)效果，對(duì)于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，一般采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)向跟蹤系統(tǒng)。整個(gè)偏航系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、偏航調(diào)節(jié)系統(tǒng)和扭纜保護(hù)裝置等部分組成，偏航調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括風(fēng)向標(biāo)和偏航系統(tǒng)調(diào)節(jié)軟件。風(fēng)向標(biāo)的主要作用是對(duì)應(yīng)每一個(gè)風(fēng)向都有一個(gè)相應(yīng)的脈沖輸出信號(hào)，并通過偏航系統(tǒng)軟件確定其偏航方向和偏航角度，然后將偏航信號(hào)放大傳送給電動(dòng)機(jī)，通過減速機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)力機(jī)平臺(tái)，直到對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向?yàn)橹?。如果機(jī)艙在同一方向偏航超過3圈以上時(shí)，則扭纜保護(hù)裝置開始動(dòng)作，執(zhí)行解纜，直到機(jī)艙回到位置時(shí)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(fēng)力發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行。風(fēng)輪轉(zhuǎn)速過高或發(fā)電機(jī)超負(fù)荷都會(huì)危及風(fēng)力發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行。限速安全裝置能保證風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速在一定的風(fēng)速范圍內(nèi)運(yùn)行。除了限速裝置外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)還設(shè)有專門的制動(dòng)裝置，在風(fēng)速過高時(shí)可以使風(fēng)輪停轉(zhuǎn)，保證特大風(fēng)速下風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)輪偏離風(fēng)向超速保護(hù)、利用氣動(dòng)阻力制動(dòng)、改變?nèi)~片的槳距角調(diào)速。①偏離風(fēng)向超速保護(hù)對(duì)于小型風(fēng)力機(jī)，為了簡化結(jié)構(gòu)，其葉片一般是固定在輪轂上。在遇上超過設(shè)計(jì)風(fēng)速的強(qiáng)風(fēng)時(shí)，為了避免風(fēng)輪超速轉(zhuǎn)動(dòng)甚至葉片被吹毀，常采用使風(fēng)輪水平或垂直旋轉(zhuǎn)的辦法，以便偏離風(fēng)向，從而達(dá)到超速保護(hù)的目的。這種裝置的關(guān)鍵是把風(fēng)輪軸設(shè)計(jì)成偏離軸心一個(gè)水平或垂直的距離，從而產(chǎn)生一個(gè)偏心距。同時(shí)安裝一副彈簧，一端系在與風(fēng)輪構(gòu)成一體的偏轉(zhuǎn)體上，一端固定在機(jī)座底盤或尾桿上，并預(yù)調(diào)彈簧力，使在設(shè)計(jì)風(fēng)速內(nèi)風(fēng)輪偏轉(zhuǎn)力矩小于或等于彈簧力矩。當(dāng)風(fēng)速超過設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)，風(fēng)輪偏轉(zhuǎn)力矩大于彈簧力矩，使風(fēng)輪向偏心距一側(cè)水平或垂直旋轉(zhuǎn)，直到風(fēng)輪受力力矩與彈簧力矩相平衡，風(fēng)速恢復(fù)到設(shè)計(jì)風(fēng)速以內(nèi)時(shí)，風(fēng)輪偏轉(zhuǎn)力矩小于彈簧力矩，使風(fēng)輪向軸側(cè)水平或垂直旋轉(zhuǎn)，恢復(fù)到設(shè)計(jì)的繞軸心運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。極限狀態(tài)下，如在遇到強(qiáng)風(fēng)時(shí)，可使風(fēng)輪轉(zhuǎn)到與風(fēng)向相平行，以達(dá)到停轉(zhuǎn)，保護(hù)風(fēng)力機(jī)不被吹毀。②利用氣動(dòng)阻力制動(dòng)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(fēng)輪軸同心的位置，當(dāng)風(fēng)輪超速時(shí)，減速板因所受的離心力對(duì)鉸接軸的力矩大于彈簧張力的力矩，從而繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)成為擾流器，增加風(fēng)輪阻力，起到減速作用。當(dāng)風(fēng)速降低后它們又回到原來位置。③變槳距調(diào)速采用變槳距方式除了可以控制轉(zhuǎn)速外，還可以減小轉(zhuǎn)子和驅(qū)動(dòng)鏈中各部件的壓力，并允許風(fēng)力機(jī)在很大的風(fēng)速下運(yùn)行，因而應(yīng)用相當(dāng)廣泛。在中小型風(fēng)力機(jī)中，采用離心調(diào)速方式比較普遍，即利用槳葉或安裝在風(fēng)輪上的重錘所受的離心力來進(jìn)行控制。當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速增加時(shí)，旋轉(zhuǎn)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(fēng)力減小，以降低轉(zhuǎn)速。當(dāng)離心力等于彈簧張力時(shí)，即達(dá)到平衡位置。（5）塔架風(fēng)力機(jī)的塔架是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)重要的基礎(chǔ)平臺(tái)，除了要支撐風(fēng)力機(jī)的重量，還要承受吹向風(fēng)力機(jī)和塔架的風(fēng)壓以及風(fēng)力機(jī)運(yùn)行中的動(dòng)載荷，應(yīng)滿足很高的剛度要求。它的剛度和風(fēng)力機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中由于振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)載荷有密切關(guān)系。如果說塔架對(duì)小型風(fēng)力機(jī)影響還不太明顯的話，對(duì)大、中型風(fēng)力機(jī)的影響就不容忽視了。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力機(jī)塔桿為了增加抗彎矩的能力，可以用拉線來加強(qiáng)；中、大型塔桿為了運(yùn)輸方便，可以將鋼管分成幾段。一般來說，管柱型塔架對(duì)風(fēng)的阻力較小，特別是對(duì)于下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)，產(chǎn)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(fēng)力機(jī)上，其優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)不高，運(yùn)輸也方便，但這種塔架會(huì)使下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)的葉片產(chǎn)生很大的紊流。（6）蓄電池蓄電池是發(fā)電系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的部件，多采用汽車用鉛酸蓄電池、近年來國內(nèi)有些廠家也開發(fā)出了適用于風(fēng)能、太陽能應(yīng)用的專用鉛酸蓄電池。另外，還可以選用鎘鎳堿性