風力發(fā)電科普知識系列一
什么是風能? |
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風能來源于何處? |
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風功率如何計算? |
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大氣運動的受力影響是什么? |
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白天山坡受熱快,溫度高于山谷上方同高度的空氣溫度,坡地上的暖空氣從山坡流向谷地上方,谷地的空氣則沿著山坡向上補充流失的空氣,這時由山谷吹向山坡的風,稱為谷風。夜間,山坡因冷卻降溫速度比同高度的空氣快,冷空氣沿坡地向下流入山谷,稱為山風。 |
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為什么說風能是一種綠色能源? 風能是一種干凈的自然能源,沒有常規(guī)能源(如煤電,油電)與核電會造成環(huán)境污染的問題。平均每裝一臺單機容量為1兆瓦的風能發(fā)電機,每年可以減排2000噸二氧化碳(相當于種植1平方英里的樹木)、10噸二氧化硫、6噸二氧化氮。風能產生1兆瓦小時的電量可以減少0.8到0.9噸的溫室氣體,相當于煤或礦物燃料一年產生的氣體量。而且風機不會危害鳥類和其它野生動物。在常規(guī)能源告急和生態(tài)環(huán)境惡化的雙重壓力下,風能作為一種高效清潔的新能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p> |
發(fā)展風力發(fā)電具有什么優(yōu)勢? 風電技術日趨成熟,產品質量可靠,可用率已達95%以上,已是一種安全可靠的能源,風力發(fā)電的經濟性日益提高,發(fā)電成本已接近煤電,低于油電與核電,若計及煤電的環(huán)境保護與交通運輸的間接投資,則風電經濟性將優(yōu)于煤電。風力發(fā)電場建設工期短,單臺機組安裝僅需幾周,從土建、安裝到投產,只需半年至一年時間,是煤電、核電的。投資規(guī)模靈活,有多少錢裝多少機。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、邊疆來說,可作為解決生產和生活能源的一種有效途徑。 |
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人類利用風能的歷史可以追溯到公元前。我國是世界上*早利用風能的國家之一。公元前數世紀我國人民就利用風力提水、灌溉、磨面、舂米,用風帆推動船舶前進。埃及尼羅河上的風帆船、中國的木帆船,都有兩三千年的歷史記載。唐代有“乘風破浪會有時,直掛云帆濟滄海”詩句,可見那時風帆船已廣泛用于江河航運。到了宋代更是我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,其風車的功率可達50馬力,以后又用于榨油和鋸木。到了十八世紀二十年代,在北美洲風力機被用來灌溉田地和驅動發(fā)電機發(fā)電。從1920年起,人門開始研究利用風力機作大規(guī)模發(fā)電。1931年,在蘇聯的CrimeanBalaclava 建造了一 座100kW容量的風力發(fā)電機,這是*早商業(yè)化的風力發(fā)電機。 風力發(fā)電場(簡稱風電場),是將多臺大型并網式的風力發(fā)電機安裝在風能資源好的場地,按照地形和主風向排成陣列,組成機群向電網供電。風力發(fā)電機就像種莊稼一樣排列在地面上,故形象地稱為“風力田”。風力發(fā)電場于20世紀80年代初在美國的加利福尼亞州興起,現在被大力發(fā)展風電的各個國家廣泛采用。 風電場的風力發(fā)電機相互之間需要有足夠的距離,以免造成過強的湍流相互影響,或由于尾流效應而嚴重減低后排風電機的功率輸出。為了配合運送大型設備(特別是葉片)到安裝現場,須要建設道路。另外亦須要建設輸電線,把風電場的輸出連接到電網接入點。 |
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中國風力資源分布 東南沿海及其附近島嶼是風能資源豐富地區(qū),有效風能密度大于或等于200瓦/平方米,沿海島嶼有效風能密度在300瓦/平方米以上,全年中風速大于或等于3米/ 秒的 時數 約為7000~8000 小時,大于或等于6 米/秒的時數為4000小時。新疆北部、內蒙古、甘肅北部也是中國風能資源豐富的地區(qū),有效風能密度為200~300瓦/平方米 ,全年中風速大于或等于3米/秒的時數為5000小時以上,全年中風速大于或等于6米/秒的時數為3000小時以上。黑龍江、吉林東部、河北北部及遼東半島的風能資源也較好,有效風能密度在200瓦/平方米以上,全年中風速大于和等于3米/秒的時數為5000小時,全年中風速大于和等于6米/秒的時數為3000小時。 青藏高原北部有效風能密度在150~200瓦/平方米之間,全年風速大于和等于3米/秒的時數為4000~5000小時,全年風速大于和等于6米/秒的時數為3000小時;但青藏高原海拔高、空氣密度小,所以有效風能密度也較低。云南、貴州、四川、甘肅、陜西南部、河南、湖南西部、福建、廣東、廣西的山區(qū)及新疆塔里木盆地和西藏的雅魯藏布江為風能資源貧乏地區(qū),有效風能密度在50瓦/平方米以下,全年中風速大于和等于3米/秒的時數在2000小時以下,全年中風速大于和等于6米/秒的時數在150小時以下,風能潛力很低。 |
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風力發(fā)電的經濟性 由于風電市場的擴大、風電機組產量和單機容量的增加以及技術上的進步,使風電機組每千瓦的生產成本在過去近20年中穩(wěn)定下降。以美國為例,風力發(fā)電的成本降低了80%。上世紀80年代安裝*批風力發(fā)電機時,每發(fā)一度電的成本為30美分,而現在只需4美分。另一方面,由于風電機組設計和工藝的改進(如葉片翼型改進等),性能和可靠性提高,加上塔架高度增加以及風場選址評估方法的改進等,使風電機組的發(fā)電能力有相當大的增長,每平方米葉輪掃掠面積的年發(fā)電量從80年代初期的400~500kW.h提高到目前的1000kW.h以上。一臺標準的600KW風力發(fā)電機,當各種條件都是*佳狀態(tài)時,每年可發(fā)電約2000萬kW.h,即每平方米葉輪掃掠面積的年發(fā)電量可達1400~1500kW.h。目前風電場的容量系數(即一年的實際發(fā)電量除以裝機額定功率與一年8760小時的乘積)一般約為0.25~0.35。綜合上述史以及風電場的風力資源、規(guī)模、運行維護成本和融資因素(如利率、償還期等),目前在較好的風場,風力發(fā)電的成本約為4美分/kW.h左右,已具備與火電競爭的能力。 從風電場的造價方面看,中國風電場的造價比歐洲高,基本上是歐洲5年前的水平,單位千瓦平均造價為8500元/千瓦左右,建設一座裝機10萬千瓦的風電場,成本大約在8億到10億元,而同樣規(guī)模的火電廠成本約為5億元,水電站為7億元。當然,獨立運行的非并網班車風電系統,由于需要蓄電池和逆變器等,同時容量系數較小,所以發(fā)電成本比并網型機組要高。 1.由于風力資源隨地點而變,因此即使在很相近的兩個地點,風力資源特性也會很不相同,因此,對于任何風力發(fā)電項目,必須進行實地短期風力測量、長期風力資源預測、風流模擬計算和產電量估算等等。 2.如果需要安裝超過一臺風力發(fā)電機,每臺風電機在特定風向下都可能成為其他風電機的障礙物,造成尾流效應。風電場總產電量估算須考慮尾流效應的影響。這可以用電腦軟件來做出估算 須要注意通往安裝場地道路的要求(寬度和轉彎半徑)。這是因為需要運送很長的葉片和其他很重的部件到安裝場地,另外還需要運送起重機入場。 須要注意從風力發(fā)電機到*近的電網接入點之間架空電纜或地底電纜路線的要求。 須要注意飛行高度限制的要求。 |
風力發(fā)電機噪音大么?風力發(fā)電機轉得比較慢,因而噪音相對較低。風力發(fā)電機的噪音源有兩個,機械轉動部位的噪音以及旋轉葉片和空氣之間的互動的噪音。因為機械部位和電力電子控制設計優(yōu)良,加上慢速轉動,可以把現代風力發(fā)電機的噪音盡量減少。 |
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2. 按照 槳葉受力方式可分成“升力型風機”或“阻力型風機 ” 。 |
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4. 按照風機接受風的方向分類 , 則有“上風向型”――葉輪正面迎著風向(即在塔架的前面迎風旋轉)和“下風向型”――葉輪背順著風向,兩種類型。上風向風機一般需要有某種調向裝置來保持葉輪迎風。 而下風向風機則能夠自動對準風向 , 從而免除了調向裝置。但對于下風向風機,由于一部分空氣通過塔架后再吹向葉輪 ,這樣,塔架就干擾了流過葉片的氣流而形成所謂塔影效應, 使性能有所降低。 5.按照功率傳遞的機械連接方式的不同,可分為“有齒輪箱型風機”和無齒輪箱的“直驅型風機”。有齒輪箱型風機的槳葉通過齒輪箱及其高速軸及彈性聯軸節(jié)將轉矩傳遞到發(fā)電機的傳動軸,聯軸節(jié)具有很好的吸收阻尼和震動的特性,可吸收適量的徑向、軸向和一定角度的偏移,并且聯軸器可阻止機械裝置的過載。 |
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而直驅型風機則另辟蹊徑,配合采用了多項*技術,槳葉的轉矩可以不通過齒輪箱增速而直接傳遞到發(fā)電機的傳動軸,使風機發(fā)出的電能同樣能并網輸出。這樣的設計簡化了裝置的結構,減少了故障幾率,優(yōu)點很多,現多用于大型機組上。 6. 根據按槳葉接受風能的功率調節(jié)方式可分為:“定槳 距 (失速型 )機組”――槳葉與輪轂的連接是固定的 。當風速變化時,槳葉的迎風角度不能隨之變化。由于定槳距(失速型)機組結構簡單、性能可靠,在20年來的風能開發(fā)利用中一直占據主導地位。“變槳距機組”――葉片可以繞葉片中心軸旋轉,使葉片攻角可在一定范圍內(一般0~90度)調節(jié)變化,其性能比定槳距型提高許多,但結構也趨于復雜,現多用于大型機組上。 7.按照葉輪轉速是否恒定可分為:“恒速風力發(fā)電機組”――設計簡單可靠,造價低,維護量少,直接并網缺點是:氣動效率低,結構載荷高,給電網造成電網波動,從電網吸收無功功率。“變速風力發(fā)電機組”――氣動效率高,機械應力小,功率波動小,成本效率高,支撐結構輕。缺點是:功率對電壓降敏感,電氣設備的價格較高,維護量大?,F常用于大容量的主力機型。 8. 根據風力發(fā)電機組的發(fā)電機類型分類,可分為兩大類: “異步發(fā)電機型”“同步發(fā)電機型”只要選用適當的變流裝置,它們都可以用于變速運行風機。異步發(fā)電機按其轉子結構不同又可分為: ?。?)籠型異步發(fā)電機――轉子為籠型。由于結構簡單可靠、廉價、易于接入電網,而在小、中型機組中得到大量的使用; (2)繞線式雙饋異步發(fā)電機――轉子為線繞型。定子與電網直接連接輸送電能,同時繞線式轉子也經過變頻器控制向電網輸送有功或無功功率。同步發(fā)電機型按其產生旋轉磁場的磁極的類型又可分為: ?。?)電勵磁同步發(fā)電機――轉子為線繞凸極式磁極,由外接直流電流激磁來產生磁場。 ?。?)永磁同步發(fā)電機――轉子為鐵氧體材料制造的永磁體磁極,通常為低速多極式,不用外界激磁,簡化了發(fā)電機結構,因而具有多種優(yōu)勢。 9. 如根據風機的輸出端電壓高低化分,一般可分為:“高壓風力發(fā)電機”――風力發(fā)電機輸出端電壓為10~20kV,甚至40kV,可省掉風機的升壓變壓器直接并網。它與直驅型,永磁體磁極結構一起組成的同步發(fā)電機總體方案,是目前風力發(fā)電機中一種很有發(fā)展前途的機型。 “低壓風力發(fā)電機”――輸出端電壓為1kV以下,目前市面上大多為此機型。 10. 如根據風機的額定功率化分,一般可分為:微型機:10kW以下 小型機: 10 kW 至 100kW |
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