正文 6 風能——來自地球大氣層的能源(2 / 3)

但是,數千年來,由於風能存在天然不足,所以風能利用技術發展緩慢,沒有引起人們足夠的重視。自1973年世界石油危機以來,在常規能源告急和全球生態環境惡化的雙重壓力下,風能作為新能源的一部分才又重新被重點開發利用。在近代科技條件下,可以利用風力提水、發電、加熱、致冷和航運等。風能被賦予新的意義,所以又稱之為新能源。

風能與其他形式能源相比,有其明顯的優點:

第一,沒有汙染。風能是非常清潔的能源,它在轉換成電能的過程中,基本上沒有汙染排放,所以它幾乎不對環境造成任何汙染。

第二,可以再生。風能又是可再生的,風力發電不需要消耗寶貴的不可再生資源,它的能源可以說是取之不盡、用之不竭的,因此風力電既環保又節能。

第三,技術成熟。在所有清潔能源中,風力發電技術也是最成熟的,風力機組正在向大型化發展,單機容量達數兆瓦,風電電價成本也下降較快。

第四,省錢經濟。風電與火電、水電及核電相比,建設周期短、見效快,如果不算測風周期的話,建成一個大型風電場隻需要不到1年的時間,因此風電一直是世界上增長最快的清潔能源。

可能大家會有疑問,既然風力發電這麼經濟環保,為什麼不推而廣之,將火力發電取而代之呢?

一般來說,風力發電的工作場所就是露天的野外,受氣候的影響較大,在各種天氣因素中,雷電、冰凍和暴風是風力發電設備的主要破壞因素。總的來說,風能主要弱點有如下三個方麵:第一,風的能量密度低;在各種能源中,風能是能量密度最低的,這對風能的利用造成了困難。第二,風的不穩定因素多,風的大小和方向隨著時間、季節、海拔高度等諸多因素影響,其變化是隨機的,因而不利於風能的開發利用。第三,衡量風能潛力大小的重要因素是風能密度,是指單位時間通過單位麵積的風所含的能量,常以“瓦/米2”表示。由於風能源於空氣的流動,而空氣的密度很小,所以風力的能量密度也很小,隻有水力的1/816。

我國幅員遼闊、風能資源豐富,由於受地理位置、季風、地形等因素的影響,具有三個特點:北部地區風力較南部地區強;沿海一帶較內陸地區強;平原地區較丘陵、山地強。1978年我國將研製風電設備列為國家重點科研項目後,開發風能進展加快,該項目主要是利用風能進行發電,先後研製生產了微型和1~200千瓦風電機組,其中以戶用微型機組技術最為成熟。到1998年底,我國已建成19座風電場,共裝機529台,總容量為22.36萬千瓦,僅占全國電力總裝機容量的0.1%。風電技術作為一門不斷發展和完善中的多學科高新技術,通過技術創新,提高單機容量,改進結構設計和製造工藝,以及減輕部件重量,降低造價,它的優勢必將日益顯現出來。

風能應用範圍廣泛,根據不同場合可以選擇不同的利用方式。目前,風能主要用在風力發電、風力泵水、風力製熱等方麵。

6.2.1風力發電

風力發電是風能利用的一種基本形式,也是主要形式,日益受到世界各國的高度重視。其原理是把風的動能轉變成機械能,再把機械能轉化為電力動能。依據目前的風車技術,可廣泛應用風力發電。

即使是一般的微風,也可以用來發電。但從經濟合理的角度出發,風速大於4米/秒的風才適宜於發電。在世界範圍內,風力發電正形成一股熱潮,因為風力發電不需要使用燃料,也不會產生輻射或空氣汙染。風力發電機一般由風輪、發電機(包括傳動裝置)、調向器(尾翼)、塔架、限速安全機構和儲能裝置等構件組成。

我們了解了風力發電機的組成,那麼它究竟是怎樣工作的呢?

風力發電機工作時,風吹向風輪,帶動風輪軸轉動,發電機在風輪軸的驅動下旋轉產生電能。風輪是風力發電機的集風裝置,一般由2~3個葉片構成,其作用是把流動空氣具有的動能轉換成風輪旋轉的機械能;發電機的作用是將風輪旋轉的機械能轉換成電能,按其產生的電能不同,發電機可分為直流發電機、同步交流發電機和異步交流發電機三種;調向器的作用是使風輪隨時都迎著風向,從而最大限度地利用風能;限速安全機構用來保證風力發電機安全運轉,可使風力發電機的風輪在一定的風速範圍內保持轉速穩定。另外,風力發電機一般還設有專門的製動裝置,當風速過高時,可將風輪製動以保護風力發電機在特大風速下的安全。

風力發電機每小時發出的電量多少與風速的大小有關。自然界中風速的大小和方向時刻在變化,因而風力發電機的發電功率也隨之變化,這樣發出的電能不穩定,一般無法直接使用,所以需要先儲存在蓄電池中,再由蓄電池向直流電器供電,或通過逆變器把蓄電池的直流電轉變為交流電後再向交流電器供電。常用的風力發電方式有三種。

第一種是獨立運行方式,就是由一台小型風力發電機向一戶或幾戶供電,用蓄電池蓄電,以保證在無風時提供電力,這種風力發電發出的電量較小。

第二種是風力發電與其他發電方式相結合,通常是和柴油機發電或太陽能發電相結合,共同發電,主要用於向一個單位、一個村莊或一個海島供電。這兩種運行方式都屬於獨立的風電係統,一般由風力發電機、逆變器和蓄電池等組成,主要建造在電網不易到達的邊遠地區。

第三種就是風力發電並入我們常見的電網中運行,這種方式要求風力發電的發電量非常大,發出的電直接向國家大電網提供電力,屬於並網的風電係統。通常是一個風場安裝幾十台甚至幾百台風力發電機,場麵非常壯觀,這種發電方式是風力發電的主要發展方向。由於風機的轉速隨著外來風力的改變而改變,發出的電不能保持一個恒定的頻率,因此需要一套交流變頻係統。風力發電機發出的電進入交流變頻係統,被轉換成與電網相同頻率的交流電,再進入電網。

那麼是不是什麼地方都可以建設風力發電係統呢?其實,在建設風力發電係統時,安裝場址的選擇對於風力發電機是十分重要的,因為如果場地選擇不合理,即使性能再好的風力發電機也不能很好地工作。在選擇風力發電機安裝場址時,首先應考慮當地的能源概況,比如有多少種能源,都用什麼能源,以及白天和晚上用的能源數量的變化情況。如果當地自然能源很少,主要都用電能,每天的用電量變化又不大,我們就可以考慮使用風力發電,當然還要考慮當地是不是有足夠的風,綜合考慮選擇合適的場址。另外,還要考慮發電機的安裝和運輸方便,以便降低風力發電機的整體成本。所選擇的安裝場址應具備以下條件:

第一,要求當地風能資源豐富。根據我國氣象部門的有關規定,當某地的年有效風速時數在2000~4000時,年6~20米/秒的風速時數在500~1500時時,則該地即可安裝風力發電機進行風力發電,這個數據可以在當地氣象部分獲得。

第二,要求當地常年的風向變化不大,具有較穩定風向。

第三,要求當地特別高的風速出現的時間較少,也就是說要保證氣流的湍流小。當高速的風吹過發電機時會產生湍流,湍流不僅會減少風力發電機的輸出功率,還會造成風力發電機的機械振動,甚至導致風力發電機的損壞。

第四,要求當地自然災害少。風力發電機安裝場址應盡量避開強風、冰雪、煙霧、沙塵等天氣情況惡劣的地域。

第五,安裝場址的選擇還應考慮風力發電機對環境的影響,這種影響主要體現在風力發電機的噪聲、對鳥類的傷害、對景觀的影響、對無線通信的幹擾等方麵。因而一般大型的風力發電機組多選擇在相對空曠的地區。

其實,大多數由雷電導致的發電設備損壞和工作故障都是在夏季發生的。在6~8月等多雷季節,導致風力發電設備損壞的概率平均值約為15%,是冬季類似事故的3倍。安裝在中等高度山脈地區的風力發電設備發生雷擊事故的頻率是在平原地區和沿海地區的2倍。因此,考慮到這些複雜情況,風力發電應合理選址,風力發電設備應合理配置。

近年來,世界各國風力發電裝機容量急速增加,截至2002年底,風力發電裝機容量已累計達31吉瓦,以德國為首的歐洲各國及美國的風電事業發展迅速。全歐洲風電裝機容量占全世界的75%,美國占15%。丹麥總電力需求的10%依靠風能,在西班牙的某些省,風電幾乎可以滿足這些省100%的需求。德國北部和美國加利福尼亞州對風力發電寄予較高期望。作為世界經濟最發達的同家,美國政府高度重視對風能的開發利用。2000年,美國已擁有風電機組超過2000萬台,總裝機容量達2500兆瓦以上。僅1年之隔,2001年美國新增的風力發電裝機容量創曆史紀錄,風電裝機總容量達4200兆瓦,至2004年初已達6300兆瓦,一躍而居全球第二。這些國家都是由政府提倡並給予優惠政策,以使風力發電具有與其他能源競爭的能力,進而鼓勵開發商大力發展風電。

那麼,針對風力發電,我國的風力資源又是怎樣的呢?

我國位於亞洲大陸東南部,瀕臨太平洋西岸,季風強盛,冬季基本刮偏北風,夏季基本刮偏南風。季風是我國氣候的基本特征,如冬季凜冽的北風在華北呼嘯長達6個月,東北長達7個月。

在我國有很多風能豐富區,其風能密度大於200瓦/米2,風速為3~20米/秒。而可用風累計小時數大於5000時的地區有:東南沿海、山東和遼東半島沿海及其島嶼,內蒙古和甘肅北部,新疆達阪城一帶,鬆花江下遊地區。其次是沿海岸區、東北、華北的北部地區,青藏高原中部和北部地區,陝北中部、黃河與長江中下遊以及川西和雲南的部分地區。東從長白山開始,西向穿越華北、經西北到新疆最西端。北從華北開始穿長江過黃河到南嶺北側和從甘肅到雲南的北部。如浙江嵊泗、福建平潭等地區,年平均風速達6米/秒或7米/秒以上,是開展風能利用的理想地區。

根據國家氣象局估計,全國每年風力資源的總儲量為16億千瓦,近期可開發的約為1.6億千瓦,內蒙古、青海、黑龍江、甘肅等省風能儲量居我國前列,年平均風速大於3米/秒的天數在200天以上。風能作為一種無汙染和可再生的新能源有巨大的發展潛力。特別是對沿海島嶼、交通不便的邊遠山區,地廣人稀的草原牧場,以及遠離電網和近期電網還難以達到的農村、邊疆來講,發展風能作為解決生產和生活能源的一種可靠途徑,有著十分重要的意義。即使在發達國家,風能作為一種清潔的新能源也日益受到重視。