关于铁塔气象站实用新型专利的信息

本文目录一览：

• 1、北京健德门外的铁塔有什么用途？
• 2、风电厂工作有、、、
• 3、风力发电资料

北京健德门外的铁塔有什么用途？

1979年，我国在北京北郊（马甸附件的健德门桥区域）建造了第一座高为325米的专用气象塔，为亚洲第一。它是中国科学院大气物理研究所的基础科研设备之一，可为研究城市大气污染和大气边界层物理提供高质量的观测资料，为北京市乃至全国提供服务。

这个铁塔设有15层观测平台，每层装有测定风、温、湿等气象要素的传感器，可以获得15个不同高度上的观测数据。测量结果用电缆传输至地面计算机进行数据处理，每层的信号可用单片机控制。在塔上还装有三分量风速仪、超声测风仪等先进仪器。气象塔现有PDP-11-37小型计算机系统和一套微机系统，实现了观测和数据处理自动化。

气象塔的作用：

气象铁塔实验平台是一个低层大气综合探测系统，集多层、多参量观测系统于一体，实现了300m高度内的大气通量、大气成分、气象场等参量的综合自动观测，并可根据不同项目需要增观测项目。如今日常运行的主要设备包括：气象平均场观测系统（15层）、进口湍流通量观测系统（5层）、自研超声风速温度仪观测系统（3层）、自动气象站观测系统（地面和土壤）、大气污染物观测系统（4层）等观测设备，以及325米铁塔塔体、电梯等，设备总体原值超过540万元。

气象铁塔本身作为一个开放的实验平台实现了与所内外多家有关科研单位（如国家气象局气象科学研究院、北京城市气象研究所、中国环境科学研究院、军事医学科学院、北京大学、南京大学、清华大学、北京工业大学、北医三院等）的共享共用，并多次参加国家大型国事活动的观测实验。除了实验平台对外共享外，2010年还对所内外提供了1万9千多天次的基础观测资料。

风电厂工作有、、、

近年，中国长江三峡工程开发总公司、中国水利水电科学研究院、华东勘测设计研究院和河海大学共同承担了国家十一五科技支撑计划“大功率风电机组研制与示范”项目的十一课题“近海风电场选址及风电机组运行、维护技术开发”的研究任务。根据任务书的要求，三峡总公司拟在江苏响水近海海域建设示范风电场。风是风力发电的源动力，风况资料是风力发电场规划、设计和建设的第一要素。因此为进一步掌握江苏近海区域的风资源情况，为在江苏响水近海海域建设示范风电场提供第一手的原始资料，三峡总公司委托北京中水科水电科技开发有限公司在江苏响水建设海上测风塔，进行现场测风工作，并为将来的海上风电场建设进行相关的基础性研究工作。

详细科学技术内容

近海风电场海上测风与试验研究工作，主要包含以下研究内容：

（1）海上测风研究：进行1个滩涂测风塔、2个海上测风塔（三个测风塔高度均为70m）的选址、勘探、设计、安装与运行维护，并开展1.5年的测风数据资料采集与研究评估。

（2）地质勘测与桩基测试试验：对塔基现场进行地质踏勘、资料搜集，拟定勘察计划，承担地质钻探并进行现场技术指导、数据处理、样品分析、图件绘制、技术报告编写等；开展海上桩基的沉桩过程测试，获取不同地层、不同深度的锤击数～贯入度的关系，综合研究分析桩基的承载力，高应变承载力检测与承载力的对应关系等。

（3）海况条件研究：通过试验、勘测、资料分析，研究响水近海水文情况（包括对浅海环境、海浪、海流、潮位等的研究），结合海上测风塔的建设施工和测风情况，研究海况条件对海上风资源评估和风电场建设的影响。

（4）对工艺方法、标准等的研究与总结：对勘探、测试、试验、施工、运维中的各种工艺方法、经验成果进行总结；对有关标准、规程、规范等进行初步研究。

（5）其他资料的分析整理：江苏响水一带沿海现有的气象、海洋、地形、地质资料和陆上风电场实测资料的收集、整理分析。

（6）建设1个滩涂测风塔、2个海上测风塔：滩涂测风塔采用拉锚式等截面等边三角形轻型钢管焊接结构，塔架及拉锚纤绳采用独立混凝土基础，塔高70m。海上测风塔采用钢管桩基础（桩径为600mm，壁厚16mm，桩长50m，四边形布置且呈1:7向外倾斜）、四柱渐变式桁架塔体结构，塔体与桩基通过钢承台连接，塔架底部为边长3.2m的正方形截面，塔架顶部为边长0.82m的正方形截面，塔高70m，全塔架及桩基础均采用分部位防腐。滩涂测风塔、海上测风塔均在10m、25m、40m、50m、60m、70m位置处安装风速传感器，每层2个；10m、50m、70m位置处安装风向传感器，每层1个。2#测风塔安装海洋资料观测设备1套。

发明及创新点

本项目克服了没有类似工程可以借鉴、现场资料欠缺等困难，结合以前的研究成果，在以下几个方面进行了创新，并取得了良好的效果。

（1）创新性地实现了海上施工向陆上转化的设计理念

与国内已有的海上测风塔采用高桩现浇混凝土承台的设计理念不同，响水海上测风塔采用了钢承台的结构型式。与常规的混凝土承台相比，可以不进行海上立模、绑钢筋、混凝土浇筑和养护等工序，钢承台可以在陆地加工完成，可节省施工时间和减少大型船舶（海上混凝土搅拌船、大型起重船等）的使用，大大减少海上作业的工程量、减少海上施工的时间和节省施工成本，具有明显的优势。

（2）采用了桩体与承台利用高强灌浆料连接技术

钢承台结构型式对连接段要求很高，通过室内试验和大量计算，连接型式采用了高强灌浆材料灌注为主的连接方式。经规范方法计算和有限元方法校核以及现场运行考验，连接段整体受力较好，能满足不同环境荷载的受力要求。研究的灌浆连接结构获得了国家实用新型专利。

（3）提出了海上桩基承载力检测的一种可行方法

与陆地桩基相比，海上桩基检测存在两大问题：①海上条件恶劣，受风浪影响很大，进行静载试验难度大、成本高。②进行高应变锤击时需要大型船舶，进行复打成本高、组织困难。在海上测风塔建设过程中，充分利用滩涂风电场类似地层条件，采用静载试验、埋设渗压计和不同时段的高应变检测，初步推断出：在该地质条件下，初打时的高应变检测承载力是桩基最终承载力的60%左右，可以利用打桩时进行高应变检测，以此承载力计算桩基最终承载力。

（4）海上风资源评估方法研究手段完备，成果可信度高

①实验手段上，采用一塔两套测风设备，设置海洋观测设备；

②资料丰富度方面，布置了2座海上测风塔、1座滩涂测风塔，加上滩涂的5座测风塔以及气象站近30年的气象资料，该区域内的测风塔密度高，测风数据及环境数据齐全、完整；

③研究方法上，采用数理统计、比较研究和数值模拟等多种手段，并根据计算模型独立开发了计算程序。

本项目利用这些实测数据开展了环境因素对测风数据的影响、风速与潮位的对应关系、海面粗糙程度与浪高之间的对应关系以及海陆风对比等项目的研究，其研究方法、技术路线和研究内容均为国内首次采用。研究成果可信度高，并已用于海上示范风机的设计中。

（5）开展了测风手段的拓展性研究

根据风资源评估的特点和海上施工的难度，提出了可移动式测风塔的概念，并完成了移动式测风塔的结构设计、就位固定技术、浮运移动等关键技术的研究，为海上测风塔提供了一种新的结构型式，可进一步减少测风成本，具有较好的推广前景。

与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

本项目建设的江苏响水近海测风塔是江苏近海地区第1、2座（我国第3、4座）真正意义上的海上测风塔，目前国内所建的6座海上测风塔仅有本项目的响水海上测风塔采用了钢承台结构和相应的灌浆连接方式，该结构大大减少了海上施工时间和对大型海上施工设备的依赖，不仅可以推广到海上测风塔的应用，也可以推广到海上风机的结构设计中。经技术查新：海上测风塔的钢承台结构形式、承台与桩基采用水泥基高强灌浆料连接、可移动式测风塔的结构设计等技术特征在国内文献均未见提及。

本项目利用实测数据开展的环境因素对测风数据的影响、风速与潮位的对应关系、海面粗糙程度与浪高之间的对应关系以及海陆风对比等项目的研究，其研究方法、技术路线和研究内容均为国内首次采用。

成果应用情况及社会经济效益

本项目于2007年4月完成测风塔选址、初设，5月完成海上勘探，6月完成施工图设计，8月进行海上桩基施工、塔架吊装和仪器安装，2008年3月测风数据传回，2008年7月海洋观测数据传回，截止到2009年10月，已完成1.5年的测风数据收集和评估、1年的海洋观测数据收集和评估以及2年的运行维护工作。

该项目研究成果为海上风电场建设提供了详实的风资源数据、海洋数据、地质数据和可供借鉴的施工经验，目前长江新能源公司已在该区域建设了1台2MW近海试验风机，三峡集团公司正在进行容量为200MW的近海风电场的可研设计。

成果转化、推广或产业化方面还需帮助解决的问题

目前国内《海上风电开发建设管理暂行办法》已经颁布施行，海上测风工作将逐步展开。为使本项目的研究成果能够推广应用，应加大宣传力度。 风电场的工作流程：风向风速检测、当班当中和调度保持联系、开机发电、巡查记录、设备检查、润滑保养、故障处理、变压升压、配电仪表监护调节、并网送电、发电量统计。

风力发电资料

风能是一种可再生的清洁能源。近30年来，国际上在风能的利用方面，无论是理论研究还是应用研究都取得了重大进步。风力发电技术日臻完善，并网型风力发电机单机额定功率最大已经到5MW，叶轮直径达到126m。截止2005年世界装机容量已达58,982MW，风力发电量占全球电量的1%。中国成为亚洲风电产业发展的主要推动者之一，其总装机容量居世界第8位，2005年新增装机容量居世界第6位。今后，国内外风力发电技术和产业的发展速度将明显加快。

风是最常见的自然现象之一，是太阳对地球表面不均衡加热而引起的"空气流动"，流动空气具有的动能称之为风能。因此，风能是一种广义的太阳能。据世界气象组织（WMO）和中国气象局气象科学研究院分析，地球上可利用的风能资源为200亿kW，是地球上可利用水能的20倍。中国陆地10m高度层可利用的风能为2.53亿kW，海上可利用的风能是陆地上的3倍，50m高度层可利用的风能是10m高度层的2倍，风能资源非常丰富。

风能是一种技术比较成熟、很有开发利用前景的可再生能源之一。风能的利用方式不仅有风力发电、风力提水，而且还有风力致热、风帆助航等。因此，开发利用风能对世界各国科技工作者具有极强的魅力，从而唤起了世界众多的科学家致力于风能利用方面的研究。在本文中，将对国内外风力发电技术的现状和发展趋势进行论述。

风力发电基本知识编辑本段 1 风能的计算公式

空气运动具有动能。风能是指风所具有的动能。如果风力发电机叶轮的断面积为A，则当风速为V的风流经叶轮时，单位时间风传递给叶轮的风能为

（1）其中：单位时间质量流量m=ρAV（2）在实际中， （3）式中：

PW-每秒空气流过风力发电机叶轮断面面积的风能，即风能功率，W铁塔气象站实用新型专利；

Cp-叶轮的风能利用系数；

hm-齿轮箱和传动系统的机械效率，一般为0.80-0.95，直驱式风力发电机为1.0；

he-发电机效率，一般为0.70-0.98；

r-空气密度，kg/m3；

A-风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积，m2；

V-风速，m/s。

2 贝茨（Betz）理论

第一个关于风轮的完整理论是由德国哥廷根研究所的A·贝茨于1926年建立的。

贝茨假定风轮是理想的，也就是说没有轮毂，而叶片数是无穷多，并且对通过风轮的气流没有阻力。因此这是一个纯粹的能量转换器。此外还进一步假设气流在整个风轮扫掠面上的气流是均匀的，气流速度的方向无论在风轮前后还是通过时都是沿着风轮轴线的。

通过分析一个放置在移动空气中的"理想"风轮得出风轮所能产生的最大功率为

（4）式中：Pmax-风轮所能产生的最大功率；

-空气密度，kg/m3；

A-风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积，m2；

V-风速，m/s。

这个表达式称为贝茨公式。其假定条件是风速与风轮轴方向一致并在整个风轮扫掠面上是均匀的。

将(4)式除以气流通过扫掠面A时风所具有的动能，可推得风力机的理论最大效率

贝兹（Betz）理论的极限值。它说明，风力机从自然风中所能索取的能量是有限的，其功率损失部分可以解释为留在尾流中的旋转动能。

能量的转换将导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电机的型式而异，因此，风力机的实际风能利用系数Cp0.593[3]。

3 温度、大气压力和空气密度

通过温度计和气压计测试出实验地点的环境温度和大气压，由下式计算出空气密度。

式中：ρ-空气密度，kg/m3；

h-当地大气压力，Pa；

t-温度，℃。

从空气密度公式可以看出，空气密度的大小与大气压力、温度有关。

4 风力机的主要组成

1) 小型风力发电机

小型水平轴风力机主要组成部分有：风轮、发电机、塔架、调向机构、蓄能系统、逆变器等。

（1）风轮

风轮是风力机从风中吸收能量的部件，其作用是把空气流动的动能转变为风轮旋转的机械能。水平轴风力发电机的风轮是由1~3个叶片组成的。叶片的结构形式多样，材料因风力机型号和功率大小而定，如木心外蒙玻璃钢叶片、玻璃纤维增强塑料树脂叶片等。

（2）发电机

在风力发电机中，已采用的发电机有3种，即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。小型风力发电机多采用同步或异步交流发电机，发出的交流电通过整流装置转换成直流电。

（3）塔架

塔架用于支撑 发电机和调向机构等。因风速随离地面的高度增加而增加，塔架越高，风轮单位面积捕捉的风能越多，但造价、安装费等也随之加大。

（4）调向机构

垂直轴风力机可接受任何方向吹来的风，因此不需要调向机构。对于水平轴风力机，为了得到最高的风能利用效率，应用风轮的旋转面经常对准风向，需要对风装置。常用的调向机构主要有尾舵、舵轮、电动对风装置。

（5）限速机构

当风速高于风力机的设计风速时，为了防止叶片损坏，需要对风轮转速进行控制。

（6）贮能装置

贮能装置对独立运行的小型风力机是十分重要的。其贮能方式有热能贮能、化学能贮存。

（7）逆变器

用于将直流电转换为交流电，以满足交流电气设备用电的要求。

2) 大型风力发电机

大型风力发电机组由两大部分组成：气动机械部分和电气部分。气动机械部分包括风轮、低速轴、增速齿轮箱、高速轴，其功能是驱动发电机转子，将风能转换为机械能。电气部分包括异步发电机、电力电子变频器、变压器和电网，其功能是将机械能转换为频率恒定的电能。近年来，又研制成功了直驱式变速恒频风力发电机组（无增速齿轮箱）。

风力机与风力发电技术编辑本段 1 风力机与风力发电技术的发展史

风能，是人类最早使用的能源之一。远在公元前2000年，埃及、波斯等国已出现帆船和风磨，中世纪荷兰与美国已有用于排灌的水平轴风车。我国是世界上最早利用风能的国家之一，早在距今1800年前，我国就有风力提水的记载。1890年丹麦的P·拉库尔研制成功了风力发电机，1908年丹麦已建成几百个小型风力发电站。自二十世纪初至二十世纪六十年代末，一些国家对风能资源的开发，尚处于小规模的利用阶段。

随着大型水电、火电机组的采用和电力系统的发展，1970年以前研制的中、大型风力发电机组因造价高和可靠性差而逐渐被淘汰，到二十世纪六十年代末相继都停止了运转。这一阶段的试验研究表明，这些中、大型机组一般在技术上还是可行的，它为二十世纪七十年代后期的大发展奠定了基础。

1980年以来，国际上风力发电机技术日益走向商业化。主要机组容量有300kW、600kW、750kW、850kW、1MW、2MW。1991年丹麦在Vindeby建成了世界上第一个海上风电场，由11台丹麦Bonus 450kW单机组成，总装机4.95MW。随后荷兰、瑞典、英国相继建成了自己的海上风电场。

目前，已经备离岸风力发电设备商业生产能力的厂家，主要有丹麦的Vestas（包括被其整合的NEG-Micon），美国的GE风能，德国的Nordex、Repower、Pfleiderer/Prokon、Bonus和德国着名的Enercon公司。单机额定功率覆盖范围从2MW、2.3MW、3.6MW、4.2MW、4.5MW到5MW。叶轮直径从80m、82.4m、100m、110m、114m、116m到126m。

2 风力机的种类

风力发电机是把风能转换为电能的装置，鉴于风力发电机种类繁多，因此分类法也是多种。按叶片数量分，单叶片，双叶片，三叶片，四叶片和多叶片；按主轴与地面的相对位置分，水平轴、垂直轴(立轴)式；按桨叶工作原理分，升力型、阻力型。目前风力发电机三叶片水平轴类型居多。

水平轴风力机，风轮的旋转轴与风向平行；垂直轴风力机，风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向。

国内外风力发电的现状编辑本段 1 世界风力发电的现状

目前，中、大型风力发电机组已在世界上40多个国家陆地和近海并网运行，风电增长率比其它电源增长率高的趋势仍然继续。如表1所示，截止2005年12月31日世界装机容量已达58,982MW，年装机容量为11,310MW，增长率为24%；风力发电量占全球电量的1%，部分国家及地区已达20%甚至更多。2005年世界风电累计装机容量最多的十个国家见表2，前十名合计51750.9MW，约占世界总装机容量的87.7%。

2005年国际风电市场份额的分布多样化进程呈持续发展趋势：有11个国家的装机容量已高于1,000MW，其中7个欧洲国家（德国、西班牙、意大利、丹麦、英国、荷兰、葡萄牙），3个亚洲国家（印度、中国、日本），还有美国。亚洲正成为发展全球风电的新生力量，其增长率为48%。

2002年欧洲风能协会（EWEA）与绿色和平组织（Greenpeace International）发表了一份标题为"风力 12（Wind Force 12）"的报告，勾画了风电在2020年达到世界电量12%的蓝图。报告声明这份文件不是预测，而是从世界风能资源、世界电力需求的增长和电网容量、风电市场发展趋势和潜在的增长率、与核电和大水电等其铁塔气象站实用新型专利他电源技术发展历程的比较以及减排CO2等温室气体的要求，论证了风电达到世界电量12%的可能性。报告还指出中国2020年风电装机有可能达到1.7亿千瓦。

2 国内风力发电的现状

根据国家气象科学院的估算，我国陆地地面10米高度层风能的理论可开发量为32亿kW，实际可开发量为2.53亿kW。海上风能可开发量是陆地风能储量的3倍。

内蒙古 实际可开发量 0.618亿kW

西藏 实际可开发量 0.408亿kW

新疆 实际可开发量 0.343亿kW

青海 实际可开发量 0.242亿kW

黑龙江 实际可开发量 0.172亿kW

2005年中国除台湾省外新增风电机组592台，装机容量50.3万kW。与2004年当年新增装机19.8万kW相比，2005年当年新增装机增长率为254%。

截至2005年底，中国除台湾省外累计风电机组1864台，装机容量126.6万kW，风电场62个。分布在15个省（市、自治区、特别行政区），它们按装机容量排序如表3所示。与2004年累计装机76.4万kW相比，2005年累计装机增长率为65.6%。2005年风电上网电量约15.3亿kW.h[9]。

中国"十一五"国家科技支撑计划重大项目"大功率风电机组研制与示范"支持1.5~2.5MW、2.5MW以上双馈式变速恒频风电机组的研制；1.5~2.5MW、2.5MW以上直驱式变速恒频风电机组的研制；1.5MW以上风电机组叶片、齿轮箱、双馈式发电机、直驱式永磁发电机的研制及产业化；1.5MW以上双馈式风电机组控制系统及变流器、直驱式风电机组控制系统及变流器的研制及产业化；近海风电场建设关键技术的研究；近海风电机组安装及维护专用设备的研制；大型风电机组相关标准制定及风电技术发展分析等16个课题的研究。"十一五"末，我国风电技术的自主研发能力将接近世界前沿水平。

3小型风力发电机

小型风力发电机行业现状

作为农村可再生能源主要支柱之一的小型风力发电行业在2005年度得到长足的发展，从事小型风电产业的开发、研制、生产单位达到70家。据23个生产企业报表统计，2005年共生产30kW以下独立运行的小型风力发电机组共33,253台，比上年增长34.4%，其中200W、300W、500W机组共生产24,123台，占全年总产量的72.5%；15个单位共出口小型风力发电机组5,884台，比上年增长40.7%，创汇282.7万美元，主要出口到菲律宾、越南等24个国家和地区。并且，由于汽油、柴油、煤油价格飞涨，且供应渠道不畅通，内陆、江湖、渔船、边防哨所、部队、气象站和微波站等使用柴油发电机的用户逐步改用风力发电机或风光互补发电系统。

小型风力发电机行业发展趋势

1) 由于广大农牧民生活水平提高、用电量不断增加，因此小型风力发电机组单机功率在继续提高，50W机组不再生产，100W、150W机组产量逐年下降，而200W、300W、500W和1kW机组逐年增加，占总年产量的80%。

2) 由于广大农民迫切希望不间断用电，因此"风光互补发电系统"的推广应用明显加快，并向多台组合式发展，成为今后一段时间的发展方向。

3) 随着国家《可再生能源法》及《可再生能源产业指导目录》的制定，相继还会有多种配套措施及税收优惠扶植政策出台，必将提高生产企业的生产积极性，促进产业发展。

4) 目前我国尚有2.8万个村、700万户、2,800万人口没有用上电，且分散居住在边远山区、农牧区、常规电网很难达到，有关专家分析700万无电用户中、300万户可用微水电解决用电，而400万户可以用小型风力发电或风光互补发电，满足农牧民用电需要。

浓缩风能型风力发电机

浓缩风能型风力发电机由内蒙古农业大学新能源技术研究所研制，已获得中国实用新型专利（专利号：ZL94244155.9）。该型风电机组将稀薄的风能经浓缩风能装置加速、整流和均匀化后驱动叶轮旋转发电，从而提高了风能的能流密度，降低了自然风的湍流度，改善了风能的不稳定等弱点，提高了风能品位，降低了风电度电成本。该风力发电机具有的切入风速低、发电量大、噪音低、安全性高、寿命长、度电成本低等特点。

浓缩风能型风力发电机可独立运行、风光互补运行、多机联网运行和并入低压电网运行。现已研制开发的系列产品有200W、300W、600W、1kW、2kW等机组。浓缩风能型风力发电机经过中试后，可以向中、大型机组发展。这种新型风电技术在中国和世界的应用，将有效地提高风电系统的供电水平和质量，有效地利用低品位的风能，提高风电商品竞争力，具有重要的经济益和生态环保效益。

结论

在今后的20年内，国际上风力发电产业将是增长速度最快的产业，风力发电技术也将进入快速发展的黄金时期；在中国，并网型风力发电机组装机容量增长速度将明显加快，令世界瞩目，离网型风力发电机组发展的地域广、潜力大，装机总容量最终将超过并网型风力发电机组。