第7章 风能的基本理论.docx

第7章风能的基本理论第1节概述自然界中流动的空气谓之风。风能是风所具有的动能，是地球上最具活力的一种可再生能源。人类利用风能已有数千年历史，远在蒸汽机发明以前，风能就作为一种重要的动力用于船舶航行、提水饮用和灌溉、排水造田、碾谷和锯木等。古埃及人可能是最先实际利用风能的，约在几千年前，他们就开始用风帆来帮助行船。波斯和中国也很早开始利用风能，主要是使用垂直轴风车。欧洲到中世纪才广泛利用风能，荷兰人发展了水平轴的风车，18世纪荷兰曾利用近万座风车将海堤内的水排干，造出的良田相当于国土面积的1/3，成了著名的风车之国。这种风车在欧洲大陆和英国的乡村是很普遍的，成为机械能的主要来源。19世纪中叶以后，美国大规模开发西部，为了解决人畜饮水问题，制造了金属叶片的风轮，驱动活塞泵用于提水，成为有名的美国农场风车，其拥有量曾达到600万台。在蒸汽机出现以前，风力机械是动力机械的一大支柱。其后随着煤、石油、天然气的大规模开采和廉价电力的获得，各种曾经被广泛使用的风力机械由于成本高、效率低，使用不方便等，无法与蒸汽机、内燃机和电动机等相竞争，渐渐被淘汰，例如荷兰现存的几百座风车被作为文物保护起来，成为旅游景观。到了19世纪末，开始利用风力发电，这在解决农村电气化方面显示了重要的作用，特别是20世纪70年代以后，世界能源危机促使利用风力发电进入一个蓬勃发展的新阶段。第2节风的形成除潮汐能和地热能之外的所有的可再生能源，甚至包括化石能源，归根结底都来自于太阳能。太阳能向地球辐射的能量中，有1%~2%转化为风能。一、形成风的力宏观地看，地球表面上不同地带的太阳入射辐射强度和辐射时间长短的不同，导致这些地带气温的差别。在太阳辐射强和日照时间长的区域，地表和空气受热多，空气的温度较高，密度较小。空气密度较小，使近地气压较低，形成低气压区；空气温度升高，在垂直于地面的方向上形成一个抬升压力，使空气产生上升运动。相反，在太阳辐射弱和日照时间短的区域，空气的温度较低，密度较大，使近地气压较高，形成高气压区，同时在垂直地表的方向上，会产生气流下沉的运动。因而，在地球的低纬度区，近地气压较低，空气容易往高处抬升；而在高纬度区，近地气压较高，高空的空气容易下沉。这样，在近地表的大气层中，就存在着从高纬度区向低纬度区的压力差，这个压力差造成了空气在近地层整体地从高纬度区向低纬度区流动的趋向，就是在北半球和南半球分别刮北风和南风的趋向；同时远离地表的空气层则呈相反的流动趋向。这种由于压力梯度产生的风叫梯度风。空气除了受到上述气压梯度力的作用，还受到由于地球自转而产生的偏向力的作用，这种偏转力称为科里奥利(Coriolis)力，简称科氏力。地球自西向东旋转，所有纬度圈上的点的角速度向量大小相等，方向都向北。在地球引力的作用下，大气层也作同样的旋转。同时，梯度风的存在意味着空气层和地表之间有相对运动。空气层的上述两种运动使其受到科氏力的作用。科氏力FC的方向为风的速度向量v与角速度向量ω的积向量的方向。对地静止的空气不产生科氏力。下图表示北半球和南半球近地层梯度风受到的科氏力的方向。显然，在北半球科氏力使梯度风向右偏转，在南半球科氏力使梯度风向左偏转。在气压梯度力和科氏力的共同作用下，北半球向南运动的近地层梯度风向右(西)偏转为东北风，向北运动的远地层梯度风向右(东)偏转为西南风；而在南半球向北运动的近地层梯度风向左(西)偏转为东南风，向南运动的远地层梯度风向左(东)偏转为西北风。当梯度风在科氏力的作用下偏转90°时，其受到的压差力和科氏力大小相等，方向相反。此时风的方向即为正西或正东。下图表示了北半球远地层空气微团受到的气压梯度力和科氏力的情况，及科氏力的变化对风向的影响。图中的等压线是互相平行的直线。在压差的作用下，空气首先向低压方向运动，然后在科氏力的作用下向右侧偏转。风的这种向右侧飘移会一直持续到科氏力与压差力在数值上完全相等，而后沿着等压线作直线运动，此时的风称为地转风。根据气压梯度力和科氏力平衡的关系，可以求得地转风的速度。考虑一块单元体空气团，其受到的科氏力的大小与地球自转角速度、空气团所处的纬度、空气的密度和速度有关，即式中，ω为地球极点处的角速度，1/s，实际上，可以认为地球表面各处的自转角速度是相等的；b为纬度，(°)；△x△y△z为空气单元体的体积，m3；ρa为空气密度，kg/m3；vg为风的速度，m/s。纬度越高，科氏力越大；赤道上的科氏力最小，等于零，故空气沿垂直于等压线的方向运动。空气微元的压差力可以写为式中，Δp为空气单元体在负气压梯度方向上受到的压力差，Pa；△x△y为空气单元体在气压梯度方向上的面积。当空气单元体受到的科氏力和压差力平衡时，则可以得到因此，地转风的速度为例如，当△p=10mbar=1000Pa，△x=1000km，b=50°