編者按:如果天不再藍、電不夠用,未來人類該如何選擇?為了解決全球能源緊張和環(huán)境污染問題,大力發(fā)展清潔能源已成為緩解能源瓶頸的有效途徑。利用清潔能源發(fā)電,能夠減少對傳統(tǒng)能源的消耗和對環(huán)境的污染,使我們的生活更加健康、節(jié)能低碳。
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風(fēng)吹綠電來
——如何有效利用風(fēng)能
不必說文人墨客筆下“春風(fēng)又綠江南岸”“柳絮池塘淡淡風(fēng)”所呈現(xiàn)的充滿詩情畫意的風(fēng),單只講為人類傳遞信息的風(fēng)箏、提供動力的風(fēng)車和風(fēng)帆,都是人類有效利用風(fēng)的杰作。風(fēng)能相對于傳統(tǒng)的化石能源,是一種清潔能源,利用風(fēng)能的最好途徑就是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能使用。本期,就和你講講風(fēng)能的特點,以及人們是如何利用風(fēng)能發(fā)電的。
1、風(fēng)是如何形成的?
風(fēng)的能量主要來自于太陽能,太陽的輻射給地球上的空氣加熱時,地球大氣受熱并不均勻,溫度高的地方空氣上升,于是在地表形成了低壓;溫度低的地方空氣下降,在地表形成了高壓。高壓和低壓之間形成氣壓梯度,空氣從高壓區(qū)向低壓區(qū)流動,就形成了水平運動的風(fēng)。
2、風(fēng)按照強度分類,可以分為哪幾級?
你一定在天氣預(yù)報中聽到過類似這樣的說法,“渤海風(fēng)力6~7級轉(zhuǎn)4~5級”。這里所說的“級”就是按照強度對風(fēng)的分類,稱為“蒲福風(fēng)力等級”。它把風(fēng)按照風(fēng)速分為從0~12共13個等級,數(shù)字越高,風(fēng)速越快,風(fēng)中所攜帶的能量越大。
為了方便記錄,人們還給這13個等級的風(fēng)分別起了名字:0級為無風(fēng),1級為軟風(fēng),2級為輕風(fēng),3級為微風(fēng),4級為和風(fēng),5級為清風(fēng),6級為強風(fēng),7級為疾風(fēng),8級為大風(fēng),9級為烈風(fēng),10級為狂風(fēng),11級為暴風(fēng),12級為颶風(fēng)。
3、風(fēng)能的特點是什么?
我們來看看風(fēng)能的特點:首先,風(fēng)能的蘊量巨大。太陽輻射到地球的能量中,有2%轉(zhuǎn)化為風(fēng)能,這可是一個非常龐大的數(shù)字。
地球上的風(fēng)能約為27400億千瓦,其中可以利用的約200億千瓦,這個數(shù)量有多大呢?它是地球上可開發(fā)利用的水能總量的10倍!全世界每年燃燒煤炭得到的能量,還不到風(fēng)能在同一時間內(nèi)提供給地球能量的1%。
風(fēng)能最厲害的地方還不僅限于此。風(fēng)能是可再生的,幾乎可以說是取之不盡、用之不竭的。另外,風(fēng)能是清潔能源,現(xiàn)如今人們使用的風(fēng)能利用技術(shù)不會造成空氣污染。
然而有效地利用風(fēng)能可并不簡單,擺在人們面前的困難重重。
第一,風(fēng)功率密度低,也就是說風(fēng)能雖然大,但是很難集中利用。為什么說風(fēng)能多,但不集中呢?如果我們利用化石能源,開采一個煤礦或者油田就行了;如果利用水能,在合適的地方修個水電站就可以了。風(fēng)能四處皆是,很難把它們集中利用。因此需要選好風(fēng)電場場址,形成規(guī)?;谩?/div>
第二,風(fēng)能是不穩(wěn)定的,一陣風(fēng)大,一陣風(fēng)小,幾乎沒什么規(guī)律,讓人很難掌控。
第三,風(fēng)能的分布很不均勻。要想利用好風(fēng)能肯定需要很多技術(shù)手段。
4、我國的風(fēng)能主要分布在哪些地區(qū)?
度量一個地方風(fēng)能資源是否豐富,我們常用“風(fēng)功率密度”這個概念,它的單位是“瓦/平方米”。
如果我們把風(fēng)能資源的多少畫在中國地圖上,就會見到一個很有意思的畫面:西北、東北、華北、東南地區(qū)都是風(fēng)能資源豐富的地方,中原地帶和西南、東南部分地區(qū)的風(fēng)能資源貧乏。
我國風(fēng)能資源總的技術(shù)可開發(fā)利用量為7億~12億千瓦。蒙東、蒙西、新疆哈密、甘肅酒泉、河北壩上、吉林西部、江蘇沿海、山東沿海等地區(qū)是我國風(fēng)能資源最豐富的地區(qū),50米高度3級以上風(fēng)能資源潛在開發(fā)量約18.5億千瓦,占全國陸上風(fēng)能資源的77.7%。
5、人們是如何利用風(fēng)能發(fā)電的?
風(fēng)力發(fā)電的基本原理簡單來說,就是將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能,再將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/div>
具體來說,就是風(fēng)吹過風(fēng)車槳葉時在槳葉正反面形成壓差,驅(qū)動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn),將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪的機械能。發(fā)電機在風(fēng)輪的帶動下旋轉(zhuǎn)發(fā)電,將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋崿F(xiàn)這一能量轉(zhuǎn)換的設(shè)備為風(fēng)力發(fā)電機組。
風(fēng)力發(fā)電機組的功率是衡量風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)電能力的指標(biāo),功率越大,則發(fā)電能力越強。風(fēng)電機組在達到額定功率之前,其輸出功率和風(fēng)速的立方成正比,因此風(fēng)速是風(fēng)能資源的關(guān)鍵因素。
但是,人們從風(fēng)中提取的能量最多只能是它的59.6%,一般情況下要小于40%。
小知識:風(fēng)能利用的歷史
人們很早就注意到風(fēng)能是一種非常好的能源,而且一直在尋找各種有效利用的方法。在幾千年之前,古埃及人就發(fā)明了風(fēng)帆,他們在船上安上風(fēng)帆,借助風(fēng)力使船航行。中國在明代之后,開始普遍使用風(fēng)帆驅(qū)動水車灌田。
18世紀(jì),荷蘭曾利用近萬座風(fēng)車將海堤內(nèi)的水排干,成了著名的風(fēng)車之國。這種風(fēng)車在歐洲大陸很普遍,是機械能的主要來源。可是后來,蒸汽機、電動機等高效的新興機械產(chǎn)品出現(xiàn)了,古老的風(fēng)車顯得又慢又笨,于是被紛紛棄之不用。
風(fēng)能重新被規(guī)模利用,是1973年發(fā)生石油危機以后,美國、西歐的一些國家為尋求替代化石燃料的能源,利用計算機、空氣動力學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域的新技術(shù)研制出現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機組,加之人們越來越意識到常規(guī)化石能源對環(huán)境的污染,于是積極開發(fā)清潔、可再生的能源。風(fēng)能作為一種很好的清潔能源,如今越來越受到人們的重視,并被大規(guī)模開發(fā)利用。
鏈接:我國風(fēng)電的發(fā)展歷程
我國在20世紀(jì)50年代后期開始風(fēng)力發(fā)電研究工作。1986年,中國最早的風(fēng)電場——馬蘭風(fēng)電場的3臺機組并網(wǎng)運行。
2006年1月1日,《中華人民共和國可再生能源法》正式實施,中國風(fēng)力發(fā)電進入大規(guī)模發(fā)展階段,裝機規(guī)模持續(xù)迅猛增長。
2009年突破1000萬千瓦,2012年突破5000萬千瓦,取代美國成為世界第一風(fēng)電裝機大國。
截至2015年2月底,我國并網(wǎng)風(fēng)電裝機容量突破1億千瓦,達到10004萬千瓦,繼續(xù)穩(wěn)居我國第三大發(fā)電類型和世界風(fēng)電裝機首位。我國已成為全球風(fēng)電裝機增長速度最快、新增風(fēng)電裝機容量最大的國家。
風(fēng)吹綠電來
——如何做到風(fēng)電的并網(wǎng)及消納
上期科普版介紹了人們是如何有效利用風(fēng)能的,本期再來和你講講風(fēng)電建設(shè)者是如何為風(fēng)電場選址的,風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)會產(chǎn)生哪些影響,以及如何確保風(fēng)電的消納。
1、風(fēng)電機組由哪些部分組成?
從外形看,風(fēng)力發(fā)電機組由風(fēng)輪、機艙、塔架組成。
風(fēng)輪。風(fēng)輪一般由2~3個槳葉裝在輪轂上組成,是風(fēng)力發(fā)電機組接收風(fēng)能的部件。我們平時看到那個像風(fēng)車一樣的東西,其實就是槳葉,它就像水中劃船用的槳一樣,槳葉越大,從風(fēng)中獲取的能量也就越多。目前,風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電機組大多采用3個槳葉,其特點是運行平穩(wěn)、效率高。制作槳葉的材料通常是玻璃纖維,但是隨著槳葉的不斷加大,還需要既能減輕槳葉質(zhì)量,又能滿足強度與剛度要求的復(fù)合材料,如碳纖維、竹纖維、高強度玻璃纖維。
機艙。機艙內(nèi)有齒輪箱、發(fā)電機、控制系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備,負(fù)責(zé)將風(fēng)輪的動能轉(zhuǎn)換成電能。
塔架。風(fēng)力發(fā)電機組需要通過塔架將其置于空中,以獲取更多的風(fēng)能。塔架內(nèi)通常裝有梯子,以便工作人員沿梯子進入塔架頂端的機艙進行檢修操作。
2、風(fēng)電場如何選址?
選擇風(fēng)電場的場址,是對一個較大區(qū)域的風(fēng)能、氣象條件、電網(wǎng)、交通、地質(zhì)、周圍環(huán)境等因素和條件綜合考察后,選擇一個風(fēng)能資源豐富、最有利用價值的小區(qū)域的過程。要綜合考慮以下幾個方面的因素:
(1)風(fēng)能的質(zhì)量。風(fēng)能的質(zhì)量不僅包括風(fēng)能的多少,即年平均風(fēng)速高、風(fēng)功率密度大、可利用小時數(shù)等,還包括風(fēng)的一些特性,如風(fēng)向基本穩(wěn)定、風(fēng)速變化小等。
(2)氣象條件。在與風(fēng)打交道時,氣象條件尤為重要??睖y一處風(fēng)電場,要了解這個地方的溫度、濕度、氣壓等氣象學(xué)信息。此外,風(fēng)電場一定要盡量避開那些氣象災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū)。這些氣象災(zāi)害包括強臺風(fēng)、龍卷風(fēng)、雷電、沙暴、覆冰、鹽霧等。
(3)地理條件。風(fēng)力發(fā)電機組的隊列要講究按地形“排兵布陣”,風(fēng)電場的選址也需要結(jié)合大量地理因素。首先要注意地形和地表植被。此外,建設(shè)風(fēng)電場也需要盡量避開地質(zhì)災(zāi)害較多的地方,比如地震帶、火山頻發(fā)的地域。
(4)其他因素。除了“天時地利”,建設(shè)風(fēng)電場還需要充分考慮到“人和”的因素。選擇靠近電網(wǎng)的區(qū)域建設(shè)風(fēng)電場可以有效降低成本,也減少了電能損耗。風(fēng)電場應(yīng)遠(yuǎn)離人口稠密的地方,以避免風(fēng)力發(fā)電機組噪聲、風(fēng)力發(fā)電機組損壞時的易發(fā)危險給人們帶來的影響。風(fēng)電場的選擇還需要考慮盡量少破壞地表植被,盡量不侵占野生動物的巢穴區(qū),并盡量避開鳥類的飛行路線。
3、風(fēng)電場的發(fā)電機組是如何排布的?
通過對地形和風(fēng)能的研究,人們?yōu)轱L(fēng)力發(fā)電機組編排了各種隊形。風(fēng)力發(fā)電機組排布時,通常呈“梅花陣”排列。“梅花陣”是針對比較平坦、風(fēng)向相對單一地區(qū)設(shè)計的陣列,它的整體形態(tài)為矩陣式分布,各排之間相互平行,但每兩排間是相互錯位的。這樣做是為了減小風(fēng)力發(fā)電機組之間的尾流干擾。“田字陣”和“圓形陣”都是為應(yīng)對多個風(fēng)向并存的情況設(shè)計的。
4、風(fēng)電并入電網(wǎng),對電網(wǎng)有何影響?
風(fēng)是一種自然現(xiàn)象,風(fēng)速與風(fēng)向會隨機不斷變化,以致造成風(fēng)電的頻率、電壓不穩(wěn)定。而風(fēng)電場大都采用了并網(wǎng)發(fā)電的模式,也就是將風(fēng)電并入一個電網(wǎng)。如果一個電網(wǎng)中的風(fēng)電比重過大,那么提供的電能質(zhì)量就會受到影響,這樣會使我們家庭使用的電壓不穩(wěn)定,以致燈泡一會兒亮,一會兒暗,或?qū)е乱恍╇娖鳠o法正常工作,嚴(yán)重時會導(dǎo)致整個電網(wǎng)癱瘓。因此,現(xiàn)在科研人員都在研究如何將風(fēng)電變得更穩(wěn)定。
5、如何確保風(fēng)電的消納?
近年來,我國風(fēng)力發(fā)電進入了大規(guī)模發(fā)展階段。風(fēng)電高速發(fā)展也帶來了并網(wǎng)和消納難題。那么,如何確保風(fēng)電的消納呢?專家建議,要統(tǒng)一協(xié)調(diào)各種類型的電源規(guī)劃,在風(fēng)電場建成之前就規(guī)劃好如何并網(wǎng)、如何消納;電網(wǎng)建設(shè)應(yīng)該走在風(fēng)電開發(fā)之前,加快風(fēng)電送出工程建設(shè),提高風(fēng)電外送能力;還要注重加強風(fēng)電優(yōu)先調(diào)度,挖掘系統(tǒng)調(diào)峰能力;每年冬季供暖期,優(yōu)化風(fēng)電配套線路檢修計劃,優(yōu)化供熱機組調(diào)度,努力增加風(fēng)電消納空間。此外,還要加快建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅強智能電網(wǎng),加大風(fēng)電消納范圍和外送力度,實施風(fēng)光水火電打捆外送,在全國范圍優(yōu)化配置和消納。
6、為何要開展大規(guī)模海上風(fēng)力發(fā)電?
眾所周知,海面上的風(fēng)能資源比陸地上豐富,海上很少有靜風(fēng)期,能更有效地利用風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電容量。海上的風(fēng)速隨高度的變化小,不需要很高的塔架。而且,海上沒有復(fù)雜的地形對氣流的影響,因此減小了風(fēng)對風(fēng)力發(fā)電機組的疲勞損耗,可延長其使用壽命。另外,海上風(fēng)電不占用寶貴的陸地資源,且適合安裝大型機組。目前,很多國家都在發(fā)展大規(guī)模海上風(fēng)電場,海上風(fēng)力發(fā)電已成為風(fēng)電的發(fā)展趨勢。我國有漫長的海岸線,有著豐富的海上風(fēng)能資源。國家能源局2010年指出,要大力推進海上風(fēng)力發(fā)電基地建設(shè)。
關(guān)鍵詞:
風(fēng)電