風能(wind energy)是因空氣流動做功而提供給人類的一種可利用的能量,空氣流動具有的動能稱風能。風能資源受地形的影響較大,世界風能資源多集中在沿海和開闊大陸的收縮地帶,如美國的加利福尼亞州沿岸和北歐一些國家,中國的東南沿海、內蒙古、新疆和甘肅一帶風能資源也很豐富。
2012年4月,科學期刊《自然氣候變化》的研究指出,風車發(fā)電廠可致當地氣溫上升0.7攝氏度,這一數字足以影響當地天氣與氣候。這讓人們開始擔心風能會加劇溫室效應。
風能是因空氣流動做功而提供給人類的一種可利用的能量,空氣流動具有的動能稱風能,空氣流速越快,動能越大。人們可以用風車把風的動能轉化為旋轉的動作去推動發(fā)電機,以產生電力,方法是透過傳動軸,將轉子(由以空氣動力推動的扇葉組成)的旋轉動力傳送至發(fā)電機。 到2008年為止,全世界以風力供應的電力已超過全世界用量的1%。風能雖然對大多數國家而言還不是主要的能源,但在1999年到2005年之間已經成長了四倍以上。[1] 2011年全球風能發(fā)電累計238千兆瓦,比2009年增長了21%。[2] 人類利用風能的歷史可以追溯到公元前。中國是世界上最早利用風能的國家之一。公元前數世紀中國人就利用風力提水、 灌溉、磨面、舂米,用風帆推動船舶前進。到了宋代更是中國應用風車的全盛時代,當時流行的垂直軸風車,一直沿用至今。在國外,公元前2世紀,古波斯人就利用垂直軸風車碾米。10世紀伊斯蘭人用風車提水,11世紀風車在中東已獲得廣泛的 應用。13世紀風車傳至歐洲,14世紀已成為歐洲不可缺少的原 動機。在荷蘭風車先用于萊茵河三角洲湖地和低濕地的汲水,以后又用于榨油和鋸木。只是由于蒸汽機的出現,才使歐洲風車數目急劇下降。 但數千年來,風能技術發(fā)展緩慢,沒有引起人們足夠的重視。但自1973年世界石油危機以來,在常規(guī)能源告急和全球生態(tài)環(huán)境惡化的雙重壓力下,風能作為新能源的一部分才重新有了長足的發(fā)展。風能作為一種無污染和可再生的新能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿?,特別是對沿海島嶼,交通不便的邊遠山區(qū),地廣人稀的草原牧場,以及遠離電網和近期內電網還難以達到的農村、邊疆,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(fā)達國家,風能作為一種高效清潔的新能源也日益受到重視,比如:美國能源部就曾經調查過,單是德克薩斯州和南達科他州兩州的風能密度就足以供應全美國的用電量。 在美國,無論是在海岸還是陸地,都有豐富的風力資源。
利用風來產生電力所需的成本已經降低許多,即使不含其他外在的成本,在許多適當地點使用風力發(fā)電的成本已低于燃油的內然機發(fā)電了。2003年美國的風力發(fā)電成長就超過了所有發(fā)電機的平均成長率。自2004年起,風力發(fā)電更成為在所有新式能源中已是最便宜的了。在2005年風力能源的成本已降到1990年代時的五分之一,而且隨著大瓦數發(fā)電機的使用,下降趨勢還會持續(xù)。[3] 地球吸收的太陽能有1%到3%轉化為風能,總量相當于地球上所有植物通過光合作用吸收太陽能轉化為化學能的50到100倍。上了高空就會發(fā)現風的能量,那有時速超過160公里的強風。這些風的能量最后因和地表及大氣間的摩擦力而以各種熱能方式釋放。 風的成因因太陽照射極地和赤道的不均勻使得地表的不受熱;地表溫的速度較海面快;大氣中同溫層如同天花板的效應加速了氣體的對流;季節(jié)的變化;科氏效應;月亮的反射比率共同形成了風。 風能提取風能可以通過風車來提取,當風吹動風輪時,風力帶動風輪繞軸旋轉,使得風能轉化為機械能。而風能轉化量直接與空氣密度、風輪掃過的面積和風速的平方成正比。 中國內蒙古自治區(qū)輝騰錫勒風力發(fā)電廠。
風之強弱程度,通常用風力等級來表示,而風力的等級,可由地面或海面物體被風吹動之情形加以估計之。目前國際通用之風力估計,系以蒲福風力級為標準。蒲福氏為英國海軍上將,于1805年首創(chuàng)風力分級標準。先僅用于海上,后亦用于陸上,并屢經修訂,乃成今日通用之風級。實際風速與蒲福風級之經驗關系式為: V= 0.836 * (B^ (3/2)) B為蒲福風級數,V為風速(單位:米/秒) 一般而言,風力發(fā)電機組起動風速為2.5米/秒,臉上感覺有風且樹葉搖動情況下,就已開始運轉發(fā)電了,而當風速達28~34米/秒時,風機將會自動偵測停止運轉,以降低對受體本身之傷害。 優(yōu)點1.風能為潔凈的能量來源。 我國風能資源的分布 1.風力發(fā)電在生態(tài)上的問題是可能干擾鳥類,如美國堪薩斯州的松雞在風車出現之后已漸漸消失。目前的解決方案是離岸發(fā)電,離岸發(fā)電價格較高但效率也高。 2.在一些地區(qū)、風力發(fā)電的經濟性不足:許多地區(qū)的風力有間歇性,必須等待壓縮空氣等儲能技術發(fā)展。 3.風力發(fā)電需要大量土地興建風力發(fā)電場,才可以生產比較多的能源。 4.進行風力發(fā)電時,風力發(fā)電機會發(fā)出龐大的噪音,所以要找一些空曠的地方來興建。 5.現在的風力發(fā)電還未成熟,還有相當發(fā)展空間。 2012年4月,科學期刊《自然氣候變化》的研究指出,風車發(fā)電廠可致當地氣溫上升0.7攝氏度,這一數字足以影響當地天氣與氣候。研究人員在2003到2011年對德州的大風車農場周圍的氣溫分析發(fā)現,氣溫升高速度約為0.72攝氏度每10年。大量的熱量來自于農場生產生活產生的熱能以及風力發(fā)電機的渦輪機組運動產生的機械湍流。[2] 經濟價值 位于西班牙東北方Aragon的La Muela,總面積為143.5平方公里。1980年起,新任市長看好充沛的東北風資源而極力推動風力發(fā)電。近20年來,已陸續(xù)建造450座風機(額定容量為237MW),為地方帶來豐富的利益。當地政府并借此規(guī)劃完善的市鎮(zhèn)福利,吸引了許多人移居至此,短短5年內,居民已由4,000人增加到12,000人。La Muela已由不知名的荒野小鎮(zhèn)變成眾所皆知的觀光休閑好去處。 法國 前十個風力發(fā)電量國家(2010年) ①水平軸風電機組技術。因為水平軸風電機組具有風能轉換效率高、轉軸較短在大型風電機組上更突顯了經濟性等優(yōu)點,使它成為世界風電發(fā)展的主流機型,并占有95%以上的市場份額。同期發(fā)展的垂直軸風電機組,因為轉軸過長、風能轉換效率不高,啟動、停機和變槳困難等問題,目前(截至2012年)市場份額很小、應用數量有限,但由于它的全風向對風和變速裝置及發(fā)電機可以置于風輪下方(或地面)等優(yōu)點,近年(截至2012年)來,國際上的相關研究和開發(fā)也在不斷進行并取得一定進展。 ②風電機組單機容量持續(xù)增大,利用效率不斷提高。近年來(截至2012年),世界風電市場上風電機組的單機容量持續(xù)增大,世界主流機型已經從2000年的500~1000千瓦增加到2004年的2~3兆瓦,目前(截至2012年)世界上運行的最大風電機組單機容量為5兆瓦,并已開始10兆瓦級風機的設計與研發(fā)。 ③海上風電技術成為發(fā)展方向。目前(截至2012年)建設海上風電場的造價師陸地風電場的1.7~2倍,而發(fā)電量則是路上風電場的1.4倍,所以其經濟性仍不如陸地風電場,隨著技術的不斷發(fā)展,海上風電的成本會不斷降低,其經濟性也會逐漸凸顯。 ④變槳變速、功率調節(jié)結束得到廣泛采用。由于變槳距功率調節(jié)方式具有載荷控制平穩(wěn)、安全和高效等優(yōu)點,在大型風電機組上得到了廣泛采用。 ⑤直驅式、全功率變流技術得到迅速發(fā)展。無齒輪箱的直取方式能有效地減少由于齒輪箱問題而造成的機組故障,可有效提高系統(tǒng)的運行可靠性和壽命,減少維護成本,因而得到了市場的青睞,市場份額不斷擴大。 ⑥新型垂直軸風力發(fā)電機。它采取了完全不同的設計理念,并采用了新型結構和材料,達到威風啟動、無噪聲、抗12級以上臺風、不受風向影響等優(yōu)良性能,可以大量用于別墅、多層及高層建筑、路燈等中小型應用場合。以它為主建立的風光互補發(fā)電系統(tǒng),具有電力輸出穩(wěn)定、經濟性高、對環(huán)境影響小等優(yōu)點,也解決了太陽能發(fā)展中對電網的沖擊等影響。
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