风能与太阳能及其他可再生能源的应用与潜力
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发布时间: 2025-08-25 01:47:47 阅读量: 1 订阅数: 10 


工业电力系统与分布式发电技术
### 风能与太阳能及其他可再生能源的应用与潜力
#### 1. 风能与太阳能概述
风能归根结底是太阳能量的一种体现,其状况由全球天气环流、局部气流和地形决定。风的重要特征是在广泛的时空尺度上具有多变性和间歇性。了解风况及其特征对于评估和分析某一地区或地点的风能潜力、开发风能、设计和管理风能转换系统,以及其他工程和技术领域都至关重要。有多种统计和数据分析方法可用于描述风况并评估特定应用的风能潜力。
太阳能光伏转换则是将阳光直接转化为电能,无需热机介入。光伏设备坚固耐用、设计简单,维护需求极低,其最大优势在于可作为独立系统,输出功率从微瓦到兆瓦不等。许多现代产品都集成了光伏电池或模块,以便独立于其他电源运行。与传统发电方式相比,光伏系统发电对环境的影响要小得多。在运行过程中,光伏电池无需燃料,不排放大气或水污染物,也无需冷却水。而且,光伏系统的使用不受材料或土地短缺的限制,太阳几乎是一种无尽的能源。自20世纪最后几十年以来,光伏系统的成本已降低了20多倍,目前仍在对多种不同技术进行研究,以将成本降至可广泛应用的水平。当前的光伏电池可靠且在某些应用中(如偏远地区供电)已具有成本效益,在公用事业网络无法覆盖的地区已建成独立的光伏电站。
#### 2. 风能与太阳能相关计算问题
以下是一系列与风能和太阳能相关的计算问题:
1. 你家乡或城市的风能等级是多少?
2. 列出太阳光谱的主要区域。
3. 海平面与1000米和2500米高度处的空气密度差是多少?
4. 太阳能功率潜力约为1千瓦/平方米,多大的风速能产生相同的功率潜力?
5. 新墨西哥州面积为121,666平方英里,年平均日照(水平表面上相当于全日照的小时数)约为2000小时。如果新墨西哥州三分之一的面积覆盖效率为10%的太阳能电池板,每年能产生多少电力?能满足美国能源需求的百分比是多少?
6. 使用适当的方程和关系,确定太阳 - 地球距离最大和最小的日期。
7. 计算你所在位置在春分、秋分和夏至、冬至时的中午太阳角度。
8. 天顶角和入射角有什么区别?
9. 海平面与2500米高度处的空气密度差是多少?
10. 一个风力发电厂有15台风力涡轮机,每台额定功率为1.0兆瓦,容量系数为37.5%。该风力发电厂的年发电量是多少?
11. 计算风速为5、15和25米/秒时,以下不同直径(5、10、50和100米)风轮机转子面积上的功率(千瓦),假设标准空气密度为1.225千克/立方米。
12. 一台风力涡轮机在标准大气条件下,风速为10米/秒时额定功率为300千瓦。假设功率输出与空气密度成正比,在海拔1500米、温度为20°C、风速为10米/秒的情况下,该涡轮机的功率输出是多少?
13. 如果原始风速是在10米高度测量的,计算在30、60和90米高度处风速增加的系数,分别使用指数为0.1和0.20的幂律。
14. 在一个风电场,记录到阵风超过60米/秒的强风,15分钟的平均风速为40米/秒,标准差为8米/秒。湍流强度(TI)是多少?
15. 对于平均风速为6.3米/秒的情况,使用瑞利分布计算风速分布,采用2米/秒的区间宽度。假设空气密度为1.225千克/立方米,计算该瑞利风速分布下的风能密度、月能量密度可用性、最频繁风速以及对应最大能量的风速。
16. 计算海拔约500米、空气温度为30°C、风速分别为10米/秒、12.5米/秒和15米/秒时的风能功率密度。
17. 对于形状参数c = 7.2米/秒、尺度参数k = 1.8的威布尔分布,计算风速分布,采用1米/秒的区间宽度。一台中型风力涡轮机的切入风速为5米/秒,额定风速为12米/秒,每天风速在这两个值之间的小时数是多少?
18. 计算形状参数c = 7.5米/秒、尺度参数k = 2.7的威布尔分布下的风速分布。
19. 确定7月15日当地时间上午11:00罗马尼亚布加勒斯特的太阳高度角和方位角。
20. 如果原始风速是在10米标准高度测量的,计算在60、80、100和120米高度处风速增加的系数,使用指数为0.20的幂律。
21. 美国中西部许多地区夏季(100°F)和冬季( - 20°F)的温度差异很大,空气密度的差异是多少?可用平均风能的变化是多少?假设海拔、平均风速和气压相同。
22. 如果原始风速是在10米高度测量的,计算在30、60和80米高度处风速增加的情况,分别使用指数为0.147和0.21的幂律,并与z0 = 1.15时的公式(9.10)进行比较。
23. 某一地点的威布尔参数为c = 5.5米/秒,k = 1.7。估计每年风速在6.0至9.0米/秒之间的小时数,以及每年风速大于或等于12.5米/秒的小时数。
24. 假设空气密度为1.225千克/立方米,对于上述威布尔风速分布,计算风能密度、月能量密度可用性、最频繁风速以及对应最大能量的风速。
25. 一台切入风速为5米/秒、切出风速为25米/秒的大型风力涡轮机安装在威布尔系数k = 2.2、c = 8.5米/秒的地点,在24小时内该风力涡轮机发电的小时数是多少?
26. 对于切入和切出风速分
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