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风能的产生与应用:

风能(wind energy)是地球表面大量空气流动所产生的动能。

由于地面各处受太阳辐照后气温变化不同和空气中水蒸气的含量不同,因而引起各地气压的差异,在水平方向高压空气向低压地区流动,从而引起大气的对流运动,形成风。

现代利用涡轮叶片将气流的机械能转为电能而成为发电机。

发展历史:

古埃及、中国、古巴比伦是世界上最早利用风能的国家之一。公元前利用风力提水、灌溉、磨面、舂米,用风帆推动船舶前进。10世纪伊斯兰人用风车提水,11世纪风车在中东已获得广泛的 应用。13世纪风车传至欧洲,14世纪已成为欧洲不可缺少的原动机。在荷兰风车先用于莱茵河三角洲湖地和低湿地的汲水,以后又用于榨油和锯木。

美国早在1974年就开始实行联邦风能计划。现在世界上最大的新型风力发电机组已在夏威夷岛建成运行,丹麦在1978年即建成了日德兰风力发电站。在日本, 199110月轻津海峡青森县的日本最大的风力发电站投人运行。

进入80年代中期以后,中国先后从丹麦、比利时、瑞典、美国、德国引进一批中、大型风力发电机组。在新疆、内蒙古的风口及山东、浙江、福建、广东的岛屿建立了8座示范性风力发电场。中国,在2010年已经实现超越美国的风电产能,成为世界规模最大的风能生产国。中国还计划新增39兆瓦的海上风电开发规模。

能量分级

风之强弱程度,通常用风力等级来表示,而风力的等级,可由地面或海面物体被风吹动之情形加以估计之。目前国际通用之风力估计,系以蒲福风级为标准。蒲福氏为英国海军上将,于 1805年首创风力分级标准。先仅用于海上,后亦用于陆上,并屡经修订,乃成今日通用之风级。实际风速与蒲福风级之经验关系式为:

V= 0.836 * (B ^ (3/2))

B为蒲福风级数,V为风速(单位:米/秒)

一般而言,风力发电机组起动风速为2.5/秒,脸上感觉有风且树叶摇动情况下,就已开始运转发电了,而当风速达28~34/秒时,风机将会自动侦测停止运转,以降低对受体本身之伤害。

优缺点

优点

风能为洁净的能量来源。

风能设施日趋进步,大量生产降低成本,在适当地点,风力发电成本已低于其它发电机。

风能设施多为立体化设施,可保护陆地和生态。

风力发电是可再生能源,很环保,很洁净。

风力发电节能环保。

缺点

风力发电在生态上的问题是可能干扰鸟类,

在一些地区、风力发电的经济性不足:许多地区的风力有间歇性,更糟糕的情况是如台湾等地在电力需求较高的夏季及白日、是风力较少的时间;必须等待压缩空气等储能技术发展。

风力发电需要大量土地兴建风力发电场,才可以生产比较多的能源。

进行风力发电时,风力发电机会发出庞大的噪音,所以要找一些空旷的地方来兴建。

现在的风力发电还未成熟,还有相当发展空间。

限制及弊端

风能利用存在一些限制及弊端

1)风速不稳定,产生的能量大小不稳定;

2)风能利用受地理位置限制严重;

3)风能的转换效率低;

4)风能是新型能源,相应的使用设备也不是很成熟。

5)在地势比较开阔,障碍物较少的地方或地势较高的地方适合用风力发电。

 

主要技术

①水平轴风电机组技术。因为水平轴风电机组具有风能转换效率高、转轴较短在大型风电机组上更突显了经济性等优点,使它成为世界风电发展的主流机型,并占有95%以上的市场份额。同期发展的垂直轴风电机组,因为转轴过长、风能转换效率不高,启动、停机和变桨困难等问题,目前市场份额很小、应用数量有限,但由于它的全风向对风和变速装置及发电机可以置于风轮下方(或地面)等优点,近年来,国际上的相关研究和开发也在不断进行并取得一定进展。

②风电机组单机容量持续增大,利用效率不断提高。近年来,世界风电市场上风电机组的单机容量持续增大,世界主流机型已经从2000年的500~1000千瓦增加到2004年的2~3兆瓦,目前世界上运行的最大风电机组单机容量为5兆瓦,并已开始10兆瓦级风机的设计与研发。

③海上风电技术成为发展方向。目前建设海上风电场的造价师陆地风电场的1.7~2倍,而发电量则是路上风电场的1.4倍,所以其经济性仍不如陆地风电场,随着技术的不断发展,海上风电的成本会不断降低,其经济性也会逐渐凸显。

④变桨变速、功率调节技术得到广泛采用。由于变桨距功率调节方式具有载荷控制平稳、安全和高效等优点,今年来在大型风电机组上得到了广泛采用。

⑤直驱式、全功率变流技术得到迅速发展。无齿轮箱的直取方式能有效地减少由于齿轮箱问题而造成的机组故障,可有效提高系统的运行可靠性和寿命,减少维护成本,因而得到了市场的青睐,市场份额不断扩大。

⑥新型垂直轴风力发电机。它采取了完全不同的设计理念,并采用了新型结构和材料,达到微风启动、无噪声、抗12级以上台风、不受风向影响等优良性能,可以大量用于别墅、多层及高层建筑、路灯等中小型应用场合。以它为主建立的风光互补发电系统,具有电力输出稳定、经济性高、对环境影响小等优点,也解决了太阳能发展中对电网的冲击等影响

发展前景:

中国的风电装机容量将实现每年30%的高速增长,印度风能也将保持每年23%的增长速度。印度鼓励大型企业进行投资发展风电,并实施优惠政策激励风能制造基地,目前印度已经成为世界第5大风电生产国。而在美国,随着新能源政策的出台,风能产业每年将实现25%的超常发展。在欧洲,德国的风电发展处于领先地位,其中风电设备制造业已经取代汽车制造业和造船业。在近期德国制定的风电发展长远规划中指出,到2025年风电要实现占电力总用量的25%,到2050年实现占总用量50%的目标。

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