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風(fēng)力發(fā)電科普知識系列一
什么是風(fēng)能? |
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風(fēng)能來源于何處? |
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風(fēng)功率如何計算? |
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大氣運(yùn)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(bǔ)充流失的空氣,這時由山谷吹向山坡的風(fēng),稱為谷風(fēng)。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(fēng)。 |
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為什么說風(fēng)能是一種綠色能源? 風(fēng)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(jī)容量為1兆瓦的風(fēng)能發(fā)電機(jī),每年可以減排2000噸二氧化碳(相當(dāng)于種植1平方英里的樹木)、10噸二氧化硫、6噸二氧化氮。風(fēng)能產(chǎn)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(dāng)于煤或礦物燃料一年產(chǎn)生的氣體量。而且風(fēng)機(jī)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(fēng)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(fēng)力發(fā)電具有什么優(yōu)勢? 風(fēng)電技術(shù)日趨成熟,產(chǎn)品質(zhì)量可靠,可用率已達(dá)95%以上,已是一種安全可靠的能源,風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)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(hù)與交通運(yùn)輸?shù)拈g接投資,則風(fēng)電經(jīng)濟(jì)性將優(yōu)于煤電。風(fēng)力發(fā)電場建設(shè)工期短,單臺機(jī)組安裝僅需幾周,從土建、安裝到投產(chǎn),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(jī)。對沿海島嶼,交通不便的邊遠(yuǎn)山區(qū),地廣人稀的草原牧場,以及遠(yuǎn)離電網(wǎng)和近期內(nèi)電網(wǎng)還難以達(dá)到的農(nóng)村、邊疆來說,可作為解決生產(chǎn)和生活能源的一種有效途徑。 |
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人類利用風(fēng)能的歷史可以追溯到公元前。我國是世界上*早利用風(fēng)能的國家之一。公元前數(shù)世紀(jì)我國人民就利用風(fēng)力提水、灌溉、磨面、舂米,用風(fēng)帆推動船舶前進(jìn)。埃及尼羅河上的風(fēng)帆船、中國的木帆船,都有兩三千年的歷史記載。唐代有“乘風(fēng)破浪會有時,直掛云帆濟(jì)滄海”詩句,可見那時風(fēng)帆船已廣泛用于江河航運(yùn)。到了宋代更是我國應(yīng)用風(fēng)車的全盛時代,當(dāng)時流行的垂直軸風(fēng)車,一直沿用至今。在國外,公元前2世紀(jì),古波斯人就利用垂直軸風(fēng)車碾米。10世紀(jì)人用風(fēng)車提水,11世紀(jì)風(fēng)車在中東已獲得廣泛的應(yīng)用。13世紀(jì)風(fēng)車傳至歐洲,14世紀(jì)已成為歐洲的原動機(jī)。在荷蘭風(fēng)車先用于萊茵河三角洲湖地和低濕地的汲水,其風(fēng)車的功率可達(dá)50馬力,以后又用于榨油和鋸木。到了十八世紀(jì)二十年代,在北美洲風(fēng)力機(jī)被用來灌溉田地和驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。從1920年起,人門開始研究利用風(fēng)力機(jī)作大規(guī)模發(fā)電。1931年,在蘇聯(lián)的CrimeanBalaclava 建造了一 座100kW容量的風(fēng)力發(fā)電機(jī),這是*早商業(yè)化的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。 風(fēng)力發(fā)電場(簡稱風(fēng)電場),是將多臺大型并網(wǎng)式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝在風(fēng)能資源好的場地,按照地形和主風(fēng)向排成陣列,組成機(jī)群向電網(wǎng)供電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)就像種莊稼一樣排列在地面上,故形象地稱為“風(fēng)力田”。風(fēng)力發(fā)電場于20世紀(jì)80年代初在美國的加利福尼亞州興起,現(xiàn)在被大力發(fā)展風(fēng)電的各個國家廣泛采用。 風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電機(jī)相互之間需要有足夠的距離,以免造成過強(qiáng)的湍流相互影響,或由于尾流效應(yīng)而嚴(yán)重減低后排風(fēng)電機(jī)的功率輸出。為了配合運(yùn)送大型設(shè)備(特別是葉片)到安裝現(xiàn)場,須要建設(shè)道路。另外亦須要建設(shè)輸電線,把風(fēng)電場的輸出連接到電網(wǎng)接入點。 |
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中國風(fēng)力資源分布 東南沿海及其附近島嶼是風(fēng)能資源豐富地區(qū),有效風(fēng)能密度大于或等于200瓦/平方米,沿海島嶼有效風(fēng)能密度在300瓦/平方米以上,全年中風(fēng)速大于或等于3米/ 秒的 時數(shù) 約為7000~8000 小時,大于或等于6 米/秒的時數(shù)為4000小時。新疆北部、內(nèi)蒙古、甘肅北部也是中國風(fēng)能資源豐富的地區(qū),有效風(fēng)能密度為200~300瓦/平方米 ,全年中風(fēng)速大于或等于3米/秒的時數(shù)為5000小時以上,全年中風(fēng)速大于或等于6米/秒的時數(shù)為3000小時以上。黑龍江、吉林東部、河北北部及遼東半島的風(fēng)能資源也較好,有效風(fēng)能密度在200瓦/平方米以上,全年中風(fēng)速大于和等于3米/秒的時數(shù)為5000小時,全年中風(fēng)速大于和等于6米/秒的時數(shù)為3000小時。 青藏高原北部有效風(fēng)能密度在150~200瓦/平方米之間,全年風(fēng)速大于和等于3米/秒的時數(shù)為4000~5000小時,全年風(fēng)速大于和等于6米/秒的時數(shù)為3000小時;但青藏高原海拔高、空氣密度小,所以有效風(fēng)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(fēng)能資源貧乏地區(qū),有效風(fēng)能密度在50瓦/平方米以下,全年中風(fēng)速大于和等于3米/秒的時數(shù)在2000小時以下,全年中風(fēng)速大于和等于6米/秒的時數(shù)在150小時以下,風(fēng)能潛力很低。 |
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風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性 由于風(fēng)電市場的擴(kuò)大、風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)量和單機(jī)容量的增加以及技術(shù)上的進(jìn)步,使風(fēng)電機(jī)組每千瓦的生產(chǎn)成本在過去近20年中穩(wěn)定下降。以美國為例,風(fēng)力發(fā)電的成本降低了80%。上世紀(jì)80年代安裝*批風(fēng)力發(fā)電機(jī)時,每發(fā)一度電的成本為30美分,而現(xiàn)在只需4美分。另一方面,由于風(fēng)電機(jī)組設(shè)計和工藝的改進(jìn)(如葉片翼型改進(jìn)等),性能和可靠性提高,加上塔架高度增加以及風(fēng)場選址評估方法的改進(jìn)等,使風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電能力有相當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)的600KW風(fēng)力發(fā)電機(jī),當(dāng)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(dá)1400~1500kW.h。目前風(fēng)電場的容量系數(shù)(即一年的實際發(fā)電量除以裝機(jī)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(fēng)電場的風(fēng)力資源、規(guī)模、運(yùn)行維護(hù)成本和融資因素(如利率、償還期等),目前在較好的風(fēng)場,風(fēng)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(fēng)電場的造價方面看,中國風(fēng)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(shè)一座裝機(jī)10萬千瓦的風(fēng)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(dāng)然,獨(dú)立運(yùn)行的非并網(wǎng)班車風(fēng)電系統(tǒng),由于需要蓄電池和逆變器等,同時容量系數(shù)較小,所以發(fā)電成本比并網(wǎng)型機(jī)組要高。 1.由于風(fēng)力資源隨地點而變,因此即使在很相近的兩個地點,風(fēng)力資源特性也會很不相同,因此,對于任何風(fēng)力發(fā)電項目,必須進(jìn)行實地短期風(fēng)力測量、長期風(fēng)力資源預(yù)測、風(fēng)流模擬計算和產(chǎn)電量估算等等。 2.如果需要安裝超過一臺風(fēng)力發(fā)電機(jī),每臺風(fēng)電機(jī)在特定風(fēng)向下都可能成為其他風(fēng)電機(jī)的障礙物,造成尾流效應(yīng)。風(fēng)電場總產(chǎn)電量估算須考慮尾流效應(yīng)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(zhuǎn)彎半徑)。這是因為需要運(yùn)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(yùn)送起重機(jī)入場。 須要注意從風(fēng)力發(fā)電機(jī)到*近的電網(wǎng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)噪音大么?風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)得比較慢,因而噪音相對較低。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的噪音源有兩個,機(jī)械轉(zhuǎn)動部位的噪音以及旋轉(zhuǎn)葉片和空氣之間的互動的噪音。因為機(jī)械部位和電力電子控制設(shè)計優(yōu)良,加上慢速轉(zhuǎn)動,可以把現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)機(jī)”或“阻力型風(fēng)機(jī) ” 。 |
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4. 按照風(fēng)機(jī)接受風(fēng)的方向分類 , 則有“上風(fēng)向型”――葉輪正面迎著風(fēng)向(即在塔架的前面迎風(fēng)旋轉(zhuǎn))和“下風(fēng)向型”――葉輪背順著風(fēng)向,兩種類型。上風(fēng)向風(fēng)機(jī)一般需要有某種調(diào)向裝置來保持葉輪迎風(fēng)。 而下風(fēng)向風(fēng)機(jī)則能夠自動對準(zhǔn)風(fēng)向 , 從而免除了調(diào)向裝置。但對于下風(fēng)向風(fēng)機(jī),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(yīng), 使性能有所降低。 5.按照功率傳遞的機(jī)械連接方式的不同,可分為“有齒輪箱型風(fēng)機(jī)”和無齒輪箱的“直驅(qū)型風(fēng)機(jī)”。有齒輪箱型風(fēng)機(jī)的槳葉通過齒輪箱及其高速軸及彈性聯(lián)軸節(jié)將轉(zhuǎn)矩傳遞到發(fā)電機(jī)的傳動軸,聯(lián)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(lián)軸器可阻止機(jī)械裝置的過載。 |
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而直驅(qū)型風(fēng)機(jī)則另辟蹊徑,配合采用了多項*技術(shù),槳葉的轉(zhuǎn)矩可以不通過齒輪箱增速而直接傳遞到發(fā)電機(jī)的傳動軸,使風(fēng)機(jī)發(fā)出的電能同樣能并網(wǎng)輸出。這樣的設(shè)計簡化了裝置的結(jié)構(gòu),減少了故障幾率,優(yōu)點很多,現(xiàn)多用于大型機(jī)組上。 6. 根據(jù)按槳葉接受風(fēng)能的功率調(diào)節(jié)方式可分為:“定槳 距 (失速型 )機(jī)組”――槳葉與輪轂的連接是固定的 。當(dāng)風(fēng)速變化時,槳葉的迎風(fēng)角度不能隨之變化。由于定槳距(失速型)機(jī)組結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠,在20年來的風(fēng)能開發(fā)利用中一直占據(jù)主導(dǎo)地位。“變槳距機(jī)組”――葉片可以繞葉片中心軸旋轉(zhuǎn),使葉片攻角可在一定范圍內(nèi)(一般0~90度)調(diào)節(jié)變化,其性能比定槳距型提高許多,但結(jié)構(gòu)也趨于復(fù)雜,現(xiàn)多用于大型機(jī)組上。 7.按照葉輪轉(zhuǎn)速是否恒定可分為:“恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組”――設(shè)計簡單可靠,造價低,維護(hù)量少,直接并網(wǎng)缺點是:氣動效率低,結(jié)構(gòu)載荷高,給電網(wǎng)造成電網(wǎng)波動,從電網(wǎng)吸收無功功率。“變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組”――氣動效率高,機(jī)械應(yīng)力小,功率波動小,成本效率高,支撐結(jié)構(gòu)輕。缺點是:功率對電壓降敏感,電氣設(shè)備的價格較高,維護(hù)量大。現(xiàn)常用于大容量的主力機(jī)型。 8. 根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)類型分類,可分為兩大類: “異步發(fā)電機(jī)型”“同步發(fā)電機(jī)型”只要選用適當(dāng)?shù)淖兞餮b置,它們都可以用于變速運(yùn)行風(fēng)機(jī)。異步發(fā)電機(jī)按其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同又可分為: (1)籠型異步發(fā)電機(jī)――轉(zhuǎn)子為籠型。由于結(jié)構(gòu)簡單可靠、廉價、易于接入電網(wǎng),而在小、中型機(jī)組中得到大量的使用; (2)繞線式雙饋異步發(fā)電機(jī)――轉(zhuǎn)子為線繞型。定子與電網(wǎng)直接連接輸送電能,同時繞線式轉(zhuǎn)子也經(jīng)過變頻器控制向電網(wǎng)輸送有功或無功功率。同步發(fā)電機(jī)型按其產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的磁極的類型又可分為: (1)電勵磁同步發(fā)電機(jī)――轉(zhuǎn)子為線繞凸極式磁極,由外接直流電流激磁來產(chǎn)生磁場。 (2)永磁同步發(fā)電機(jī)――轉(zhuǎn)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(jī)結(jié)構(gòu),因而具有多種優(yōu)勢。 9. 如根據(jù)風(fēng)機(jī)的輸出端電壓高低化分,一般可分為:“高壓風(fēng)力發(fā)電機(jī)”――風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出端電壓為10~20kV,甚至40kV,可省掉風(fēng)機(jī)的升壓變壓器直接并網(wǎng)。它與直驅(qū)型,永磁體磁極結(jié)構(gòu)一起組成的同步發(fā)電機(jī)總體方案,是目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)中一種很有發(fā)展前途的機(jī)型。 “低壓風(fēng)力發(fā)電機(jī)”――輸出端電壓為1kV以下,目前市面上大多為此機(jī)型。 10. 如根據(jù)風(fēng)機(jī)的額定功率化分,一般可分為:微型機(jī):10kW以下 小型機(jī): 10 kW 至 100kW |
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