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什么是风能?

核心提示:风能是可再生能源的一种,近年来随着环境污染越来越严重,各国开始研究新能源,越来越多的人发现了风能的优势,人们多把风能用作发电,风力发电一定意义上带动了经济发展,详情请阅读本文,

风能(wind energy) 空气流动所产生的动能。太阳能的一种转化形式。由于太阳辐射造成地球表面各部分受热不均匀,引起大气层中压力分布不平衡,在水平气压梯度的作用下,空气沿水平方向运动形成风。风能资源的总储量非常巨大,一年中技术可开发的能量约5.3X10^13千瓦时。地球上环境污染的情况越来越糟糕,能源消耗也越来越大,这让人们重视到发展新能源的重要性,为减少环境污染,人们大力发展清洁能源,希望能在带动经济的同时减缓生态环境的压力。风能是可再生的清洁能源,储量大、分布广,但它的能量密度低(只有水能的1/800),并且不稳定。在一定的技术条件下,风能可作为一种重要的能源得到开发利用。风能利用是综合性的工程技术,通过风力机将风的动能转化成机械能、电能和热能等。

风能资源决定于风能密度和可利用的风能年累积小时数。风能密度是单位迎风面积可获得的风的功率,与风速的三次方和空气密度成正比关系。

基本概述

简介

风能(wind energy)是因空气流做功而提供给人类的一种可利用的能量,属于可再生能源(包括水能,生物能等)。空气流具有的动能称风能。空气流速越高,动能越大。人们可以用风车把风的动能转化为旋转的动作去推动发电机,以产生电力方法是透过传动轴,将转子(由以空气动力推动的扇叶组成)的旋转动力传送至发电机。到2008年为止,全世界以风力产生的电力约有 94.1 百万千瓦,供应的电力已超过全世界用量的1%。风能虽然对大多数国家而言还不是主要的能源,但在1999年到2005年之间已经成长了四倍以上。

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。在中古与古代则利用风车将收集到的机械能用来磨碎谷物和抽水。

风力被使用在大规模风农场和一些供电被被隔绝的地点,为当地的生活和发展做出了巨大的贡献。

特点

风能量是丰富、近乎无尽、广泛分布、干净与缓和温室效应。 存在地球表面一定范围内。经过长期测量,调查与统计得出的平均风能密度的概况称该范围内能利用的依据,通常以能密度线标示在地图上。

历史

人类利用风能的历史可以追溯到西元前,但数千年来,风能技术发展缓慢,没有引起人们足够的重视。但自1973年世界石油危机以来,在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下,风能作为新能源的一部分才重新有了长足的发展。风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力,特别是对沿海岛屿,交通不便的边远山区,地广人稀的草原牧场,以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆,作为解决生产和生活能源的一种可靠途径,有着十分重要的意义。即使在发达国家,风能作为一种高效清洁的新能源也日益受到重视,比如:美国能源部就曾经调查过,单是德克萨斯州和南达科他州两州的风能密度就足以供应全美国的用电量。

来源

风是地球上的一种自然现象,它是由太阳辐射热引起的。太阳照射到地球表面,地球表面各处受热不同,产生温差,从而引起大气的对流运动形成风。风能就是空气的动能,风能的大小决定于风速和空气的密度。全球的风能约为2.74X109MW,其中可利用的风能为2X107MW,比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。空气流动所形成的动能及为风能。风能是太阳能的一种转化形式。太阳的辐射造成地球表面受热不均,引起大气层中压力分布不均,空气沿水平方向运动形风。风的形成乃是空气流动的结果。

利用概述

据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2%转化为风能,但其总量仍是十分可观的。全球的风能约为1300亿千瓦,比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。

人类利用风能的历史可以追溯到公元前。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。由于石油短缺,现代化帆船在近代得到了极大的重视。到了宋代更是中国应用风车的全盛时代,当时流行的垂直轴风车,一直沿用至今。在国外,公元前2世纪,古波斯人就利用垂直轴风车碾米。 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。只是由于蒸汽机的出现,才使欧洲风车数目急剧下降。

数千年来,风能技术发展缓慢,也没有引起人们足够的重视。但自1973年世界石油危机以来,在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下,风能作为新能源的一部分才重新有了长足的发展。风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力,特别是对沿海岛屿,交通不便的边远山区,地广人稀的草原牧场,以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆,作为解决生产和生活能源的一种可靠途径,有着十分重要的意义。 即使在发达国家,风能作为一种高效清洁的新能源也日益受到重视。

美国早在1974年就开始实行联邦风能计划。其内容主要是:评估国家的风能资源;研究风能开发中的社会和环境问题;改进风力机的性能,降低造价;主要研究为农业和其他用户用的小于100kw的风力机;为电力公司及工业用户设计的兆瓦级的风力发电机组。美国已于80年代成功地开发了100、200、2000、2500、6200、7200kw的6种风力机组。目前美国已成为世界上风力机装机容量最多的国家,超过2X104MW,每年还以10%的速度增长。

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,其风力机叶片直径为97.5m,重144t,风轮迎风角的调整和机组的运行都由计算机控制,年发电量达1000万kw·h。根据美国能源部的统计至1990年美国风力发电已占总发 电量的1%。 在瑞典、荷兰、英国、丹麦、德国、日本、西班牙,也根据各自国家的情况制定了相应的风力发电计划。如瑞典1990年风力机的装机容量已达350MW,年发电10亿kw·h。

丹麦在1978年即建成了日德兰风力发电站,装机容量2000kw,三片风叶的扫掠直径为54m,混凝土塔高58m,预计到2005年电力需求量的10%将来源于风能。德国1980年就在易北河口建成了一座风 力电站,装机容量为3000kw,到本世纪末风力发电也将占总发电量的8%。英国,英伦三岛濒临海洋,风能十分丰富,政府对风能开发也十分重视,到1990年风力发电已占英国总发电量的2%。

在日本, 1991年10月轻津海峡青森县的日本最大的风力发电站投人运行,5台风力发电机可为700户家庭提供电力。中国位于亚洲大陆东南、濒临太平洋西岸,季风强盛。季风是中国气候的基本特征,如冬季季风在华北长达6个月,东北长达7个月。东南季风则遍及中国的东半壁。根据国家气象局估计,全国风力资源的总储量为每年16亿kw,近期可开发的约为1.6亿kw,内蒙古、青海、黑龙江、甘肃等省风能储量居中国前列,年平均风速大于3m/s的天数在200天以上。

中国风力机的发展,在50年代末是各种木结构的布篷式风车,1959年仅江苏省就有木风车20多万台。到60年代中期主要是发展风力提水机。70年代中期以后风能开发利用列入“六五”国家重点项目,得到迅速发展。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。1992年装机容量已达8MW。新疆达坂城的风力发电场装机容量已达3300kw,是全国目前最大的风力发电场。至1990年底全国风力提水的灌溉面积已达2.58万亩。1997年新增风力发电10万kw。目前中国已研制出100多种不同型式、不同容量的风力发电机组,并初步形成了风力机产业。尽管如此,与发达国家相比,中国风能的开发利用还相当落后,不但发展速度缓慢而且技术落后,远没有形成规模。在进入21世纪时,中国应在风能的开发利用上加大投入力度,使高效清洁的风能能在中国能源的格局中占有应有的地。

全球风能产业的发展历经了几次兴衰交替终于峰回路转,将要迎来新一轮的热潮。

2013年对于全球风能产业来说无疑是个打击,但其中也不乏可圈可点之处。

在美国,风能产业最繁盛的当属德克萨斯州,这里已经拥有了1.24万兆瓦的风电装机量。风能对该州电网的贡献也与日俱增。

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。

此外,在亚洲其他地区,风力发电项目也都在如火如荼地进行。如巴基斯坦,2013年的风电装机总量比2012年增加1倍,增至100兆瓦,随着2014年上线的两个50兆瓦的风能项目落实,装机总量将会再翻一番。同样,泰国也在2013年使本国风电装机总量增加1倍,达到220兆瓦。而菲律宾在2014年竣工的7个项目,把该国的风电装机产能扩大到了450兆瓦的,增长达13倍之多。

可见,经过2013年的蛰伏,还有2014年的蓄力,全球风能产业将再次迎来发展的热潮,甚至创造出新的纪录。

利用形式

风能利用形式主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能量。风就是水平运动的空气,空气产生运动,主要是由于地球上各纬度所接受的太阳辐射强度不同而形成的。在赤道和低纬度地区,太阳高度角大,日照时间长,太阳辐射强度强,地面和大气接受的热量多、温度较高;在高纬度地区太阳高度角小,日照时间短,地面和大气接受的热量小,温度低。这种高纬度与低纬度之间的温度差异,形成了中国南北之间的气压梯度,使空气作水平运动。

季风

理论上风应沿水平气压梯度方向吹,即垂直与等压线从高压向低压吹,但是地球在自转,使空气水平运动发生偏向的力,称为地转偏向力,这种力使北半球气流向右偏转,南半球向左偏转,所以地球大气运动除受气压梯度力外,还受地转偏向力的影响。大气真实运动是这两力的合力。实际上,地面风不仅受这两个力的支配,而且在很大程度上受海洋、地形的影响,山隘和海峡能改变气流运动的方向,还能使风速增大,而丘陵、山地却磨擦大使风速减少,孤立山峰却因海拔高使风速增大。 因此,风向和风速的时空分布较为复杂。比如海陆差异对气流运动的影响,在冬季,大陆比海洋冷,大陆气压比海洋高,风从大陆吹向海洋;夏季相反,大陆比海洋热,风从海洋吹向内陆。这种随季节转换的风,我们称为季风。

海陆风

所谓的海陆风也是白昼时,大陆上的气流受热膨胀上升至高空流向海洋,到海洋上空冷却下沉,在近地层海洋上的气流吹向大陆,补偿大陆的上升气流,低层风从海洋吹向大陆称为海风,夜间(冬季)时,情况相反,低层风从大陆吹向海洋,称为陆风。 在山区由于热力原因引起的白天由谷地吹向平原或山坡,夜间由平原或山坡吹向谷底,前者称谷风,后者称为山风。这是由于白天山坡受热快,温度温度高于山谷上方同高度的空气温度,坡地上的暖空气从山坡流向谷地上方,谷地的空气则沿着山坡向上补充流失的空气,这时由山谷吹向山坡的风,称为谷风。夜间,山坡因辐射冷却,其降温速度比同高度的空气较快,冷空气沿坡地向下流入山谷,称为山风。

当太阳辐射能穿越地球大气层时,大气层约吸收2*10^16W的能量,其中一小部分转变成空气的动能。因为热带比亚热带吸收较多的太阳辐射能,产生大气压力差导致空气流动而产生风。至于局部地区,例如,在高山和深谷,在白天,高山顶上空气受到阳光加热而上升,深谷中冷空气取而代之,因此,风由深谷吹向高山;夜晚,高山上空气散热较快,于是风由高山吹向深谷。另一例子,如在沿海地区,白天由于陆地与海洋的温度差,而形成海风吹向陆地;反之,晚上由陆地吹向海上。

风的能量

地球吸收的太阳能有1%到3%转化为风能,总量相当于地球上所有植物通过光合作用吸收太阳能转化为化学能的50到100倍。 上了高空就会发现风的能量,那儿有时速超过160公里 (100 英哩160 km/h 100 mph)的强风。这些风的能量最后因和地表及大气间的摩擦力而以各种热能方式释放。

风的成因:因太阳照射极地和赤道的不均匀使得地表的不受热;地表温的速度较海面快;大气中同温层如同天花板的效应加速了气体的对流;季节/的变化;科氏效应;月亮的反射比率,形成了风。

风能可以通过风车来提取。当风吹动风轮时,风力带动风轮绕轴旋转,使得风能转化为机械能。而风能转化量直接与空气密度、风轮扫过的面积和风速的平方成正比。空气的质流穿越风轮扫过的面积,随着风速以及空气的密度而变化。举例来说,在15°C (59°F)的凉爽日子里,海平面空气密度为每立方米 1.22 公斤(当湿度增加时空气密度会降低)。当风以秒速8米吹过直径一百米的转轮时,每秒能够使1,000,000,000公斤的空气穿越风轮扫过的面积。

指定质量的动能与其速率之平方成正比。因为质流与风速呈线性增加,对风轮有效用的风能将会与风速的立方成正比;本例子中风吹送风轮的功率,大约为2.5百万瓦特。

因为风涡轮提取能量,空气减速,导致它对传播并且在风涡轮附近在某种程度上牵制它。德国物理学家,阿尔伯特Betz, 1919年确定风涡轮可能提取至多将否则流经涡轮的横断面的59%能量。 不管涡轮的设计, Betz极限申请。 最近的工作在一个理论极限大约30%旁边为推进器类型turbines。实际效率从1%范围到20%为推进器类型涡轮,并且是一样高像35%为三维垂直轴涡轮像 Darrieus 或Gorlov涡轮。

有风变化,并且平均值为一个被测量的地点单独不表明风涡轮可能导致那里的相当数量能量。 要估计风速风土学在一个特殊地点,概率分布作用经常适合到被观察的数据。 不同的地点将有不同的风速发行。最频繁用于的发行模型塑造风速风土学是二参量 Weibull distribution 因为它能依照各种各样的发行形状,从高斯到指数。Rayleigh 塑造,例子,其中被密谋在右边反对实际被测量的数据集,是形状参量合计2 Weibull作用的一个具体形式和非常严密反映每小时风速的实际发行在许多地点。由于许多电能是由高风速所产生,可用的能量多来自瞬间大的风速。一大半可用的能量,却只有占运作时间的15%.所以无法像使用燃料的火力发电厂,可以依照用电需求来调整发电量。 由于风速并非常数,风力发电整年的发电量不是标示的发电率乘上所有的运转时间(一年内).实际产生的值与理论值(最大值)称为容量因子。安装良好的风力发电机,其容量因子可达35%.跟一般使用燃料的发电厂的涡轮机相比,标示1000kW的风力发电机,每年可发的电量最多到350kW.短时间的输出功率是难以预测,但每年发电量的变化应该几个百分比之内。 当储藏,如此的关于用唧筒抽水水力电气的储藏, 或其他形式的世代被用来 " 塑造 " 风力量 (借着保证持续的递送可信度),商业的递送代表大约 25% 的费用增加,屈从的有活力的商业表现。

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米/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米/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。

人们在很久之前就开始利用风能了,随着能源结构的改变,我国与世界各国之间都会努力研究风能的相关作用,让其能更多的应用在不同领域来造福人类,为生活提供更多的方便,同时也减少温室气体的排放量,保护生态环境。

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