風力發電是把風的動能轉為電能。
風能作為一種清潔的可再生能源,越來越受到世界各國的重視。其蘊量巨大,全球的風能約為2.74×10^9MW,其中可利用的風能為2×10^7MW,比地球上可開發利用的水能總量還要大10倍。
風很早就被人們利用--主要是通過風車來抽水、磨面等,而現在,人們感興趣的是如何利用風來發電
我國風能資源豐富,可開發利用的風能儲量約10億kW,其中,陸地上風能儲量約2.53億kW(陸地上離地10m高度資料計算),海上可開發和利用的風能儲量約7.5億kW,共計10億kW。而2003年底全國電力裝機約5.67億kW。
風是沒有公害的能源之一。而且它取之不盡,用之不竭。對于缺水、缺燃料和交通不便的沿海島嶼、草原牧區、山區和高原地帶,因地制宜地利用風力發電,非常適合,大有可為。海上風電是可再生能源發展的重要領域,是推動風電技術進步和產業升級的重要力量,是促進能源結構調整的重要措施。我國海上風能資源豐富,加快海上風電項目建設,對于促進沿海地區治理大氣霧霾、調整能源結構和轉變經濟發展方式具有重要意義。
國家能源局2015年9月21日發布數據顯示,到2015年7月底,納入海上風電開發建設方案的項目已建成投產2個、裝機容量6.1萬千瓦,核準在建9個、裝機容量170.2萬千瓦,核準待建6個,裝機容量154萬千瓦。這與2014年末國家能源局《全國海上風電開發建設方案(2014-2016)》規劃的總裝機容量1053萬千瓦的44個項目相距甚遠。為此,國家能源局要求,進一步做好海上風電開發建設工作,加快推動海上風電發展。[1]
風是一種潛力很大的新能源,十八世紀初,橫掃英法兩國的一次狂暴大風,吹毀了四百座風力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多條帆船,并有數千人受到傷害,二十五萬株大樹連根拔起。僅就拔樹一事而論,風在數秒鐘內就發出了一千萬馬力(即750萬千瓦;一馬力等于0.75千瓦)的功率!有人估計過,地球上可用來發電的風力資源約有100億千瓦,幾乎是現在全世界水力發電量的10倍。目前全世界每年燃燒煤所獲得的能量,只有風力在一年內所提供能量的三分之一。因此,國內外都很重視利用風力來發電,開發新能源。
利用風力發電的嘗試,早在二十世紀初就已經開始了。三十年代,丹麥、瑞典、蘇聯和美國應用航空工業的旋翼技術,成功地研制了一些小型風力發電裝置。這種小型風力發電機,廣泛在多風的海島和偏僻的鄉村使用,它所獲得的電力成本比小型內燃機的發電成本低得多。不過,當時的發電量較低,大都在5千瓦以下。
目前,據了解,國外已生產出15,40,45,100,225千瓦的風力發電機了。1978年1月,美國在新墨西哥州的克萊頓鎮建成的200千瓦風力發電機,其葉片直徑為38米,發電量足夠60戶居民用電。而1978年初夏,在丹麥日德蘭半島西海岸投入運行的風力發電裝置,其發電量則達2000千瓦,風車高57米,所發電量的75%送入電網,其余供給附近的一所學校用。
1979年上半年,美國在北卡羅來納州的藍嶺山,又建成了一座世界上最大的發電用的風車。這個風車有十層樓高,風車鋼葉片的直徑60米;葉片安裝在一個塔型建筑物上,因此風車可自由轉動并從任何一個方向獲得電力;風力時速在38公里以上時,發電能力也可達2000千瓦。由于這個丘陵地區的平均風力時速只有29公里,因此風車不能全部運動。據估計,即使全年只有一半時間運轉,它就能夠滿足北卡羅來納州七個縣1%到2%的用電需要。
把風的動能轉變成機械動能,再把機械能轉化為電力動能,這就是風力發電。風力發電的原理,是利用風力帶動風車葉片旋轉,再透過增速機將旋轉的速度提升,來促使發電機發電。依據目前的風車技術,大約是每秒三米的微風速度(微風的程度),便可以開始發電。 風力發電正在世界上形成一股熱潮,因為風力發電不需要使用燃料,也不會產生輻射或空氣污染。
風力發電所需要的裝置,稱作風力發電機組。這種風力發電機組,大體上可分風輪(包括尾舵)、發電機和鐵塔三部分。(大型風力發電站基本上沒有尾舵,一般只有小型(包括家用型)才會擁有尾舵)
風輪是把風的動能轉變為機械能的重要部件,它由兩只(或更多只)螺旋槳形的葉輪組成。當風吹向漿葉時,槳葉上產生氣動力驅動風輪轉動。槳葉的材料要求強度高、重量輕,目前多用玻璃鋼或其它復合材料(如碳纖維)來制造。(現在還有一些垂直風輪,s型旋轉葉片等,其作用也與常規螺旋槳型葉片相同)
由于風輪的轉速比較低,而且風力的大小和方向經常變化著,這又使轉速不穩定;所以,在帶動發電機之前,還必須附加一個把轉速提高到發電機額定轉速的齒輪變速箱,再加一個調速機構使轉速保持穩定,然后再聯接到發電機上。為保持風輪始終對準風向以獲得最大的功率,還需在風輪的后面裝一個類似風向標的尾舵。
鐵塔是支承風輪、尾舵和發電機的構架。它一般修建得比較高,為的是獲得較大的和較均勻的風力,又要有足夠的強度。鐵塔高度視地面障礙物對風速影響的情況,以及風輪的直徑大小而定,一般在6-20米范圍內。
發電機的作用,是把由風輪得到的恒定轉速,通過升速傳遞給發電機構均勻運轉,因而把機械能轉變為電能。
風力發電在芬蘭、丹麥等國家很流行;中國也在西部地區大力提倡。小型風力發電系統效率很高,但它不是只由一個發電機頭組成的,而是一個有一定科技含量的小系統:風力發電機+充電器+數字逆變器。風力發電機由機頭、轉體、尾翼、葉片組成。每一部分都很重要,各部分功能為:葉片用來接受風力并通過機頭轉為電能;尾翼使葉片始終對著來風的方向從而獲得最大的風能;轉體能使機頭靈活地轉動以實現尾翼調整方向的功能;機頭的轉子是永磁體,定子繞組切割磁力線產生電能。
一般說來,三級風就有利用的價值。但從經濟合理的角度出發,風速大于每秒4米才適宜于發電。據測定,一臺55千瓦的風力發電機組,當風速為每秒9.5米時,機組的輸出功率為55千瓦;當風速每秒8米時,功率為38千瓦;風速每秒6米時,只有16千瓦;而風速每秒5米時,僅為9.5千瓦。可見風力愈大,經濟效益也愈大。
在我國,現在已有不少成功的中、小型風力發電裝置在運轉。
我國的風力資源極為豐富,絕大多數地區的平均風速都在每秒3米以上,特別是東北、西北、西南高原和沿海島嶼,平均風速更大;有的地方,一年三分之一以上的時間都是大風天。在這些地區,發展風力發電是很有前途的。
風力發電的輸出
風力發電機因風量不穩定,故其輸出的是13~25V變化的交流電,須經充電器整流,再對蓄電瓶充電,使風力發電機產生的電能變成化學能。然后用有保護電路的逆變電源,把電瓶里的化學能轉變成交流220V市電,才能保證穩定使用。
通常人們認為,風力發電的功率完全由風力發電機的功率決定,總想選購大一點的風力發電機,而這是不正確的。目前的風力發電機只是給電瓶充電,而由電瓶把電能貯存起來,人們最終使用電功率的大小與電瓶大小有更密切的關系。功率的大小更主要取決于風量的大小,而不僅是機頭功率的大小。在內地,小的風力發電機會比大的更合適。因為它更容易被小風量帶動而發電,持續不斷的小風,會比一時狂風更能供給較大的能量。當無風時人們還可以正常使用風力帶來的電能,也就是說一臺200W風力發電機也可以通過大電瓶與逆變器的配合使用,獲得500W甚至1000W乃至更大的功率輸出。
使用風力發電機,就是源源不斷地把風能變成我們家庭使用的標準市電,其節約的程度是明顯的,一個家庭一年的用電只需20元電瓶液的代價。而現在的風力發電機比幾年前的性能有很大改進,以前只是在少數邊遠地區使用,風力發電機接一個15W的燈泡直接用電,一明一暗并會經常損壞燈泡。而現在由于技術進步,采用先進的充電器、逆變器,風力發電成為有一定科技含量的小系統,并能在一定條件下代替正常的市電。山區可以借此系統做一個常年不花錢的路燈;高速公路可用它做夜晚的路標燈;山區的孩子可以在日光燈下晚自習;城市小高層樓頂也可用風力電機,這不但節約而且是真正綠色電源。家庭用風力發電機,不但可以防止停電,而且還能增加生活情趣。在旅游景區、邊防、學校、部隊乃至落后的山區,風力發電機正在成為人們的采購熱點。無線電愛好者可用自己的技術在風力發電方面為山區人民服務,使人們看電視及照明用電與城市同步,也能使自己勞動致富。
市場狀況
風能作為一種清潔的可再生能源,越來越受到世界各國的重視。其蘊量巨大,全球的風能約為2.74×109MW,其中可利用的風能為2×107MW,比地球上可開發利用的水能總量還要大10倍。中國風能儲量很大、分布面廣,僅陸地上的風能儲量就有約2.53億千瓦。
隨著全球經濟的發展,風能市場也迅速發展起來。自2004年以來,全球風力發電能力翻了一番,2006年至2007年間,全球風能發電裝機容量擴大27%。2007年已有9萬兆瓦,這一數字到2010年將是16萬兆瓦。預計未來20-25年內,世界風能市場每年將遞增25%。隨著技術進步和環保事業的發展,風能發電在商業上將完全可以與燃煤發電競爭。
中國市場
“十五”期間,中國的并網風電得到迅速發展。2006年,中國風電累計裝機容量已經達到260萬千瓦,成為繼歐洲、美國和印度之后發展風力發電的主要市場之一。2007年我國風電產業規模延續暴發式增長態勢,截至2007年底全國累計裝機約600萬千瓦。2008年8月,中國風電裝機總量已經達到700萬千瓦,占中國發電總裝機容量的1%,位居世界第五,這也意味著中國已進入可再生能源大國行列。
2008年以來,國內風電建設的熱潮達到了白熱化的程度。2009年,中國(不含臺灣地區)新增風電機組10129臺,容量13803.2MW,同比增長124%;累計安裝風電機組21581臺,容量25805.3MW。2009年,臺灣地區新增風電機組37臺,容量77.9MW;累計安裝風電機組227臺,容量436.05MW。
區域發展
從各地區發展來看,截止到2009年12月31日,中國風電累計裝機超過1000MW的省份超過9個,其中超過2000MW的省份4個,分別為內蒙古(9196.2MW)、河北(2788.1MW)、遼寧(2425.3MW)和吉林(2063.9MW)。內蒙古2009年當年新增裝機5545.2MW,累計裝機9196.2MW,實現150%的大幅度增長。
省(自治區、直轄市)和地區 2008年累計 2009新增 2009年累計
內蒙古 3650.99 5545.17 9196.16
河北 1107.7 1680.4 2788.1
遼寧 1224.26 1201.05 2425.31
吉林 1066.46 997.4 2063.86
黑龍江 836.3 823.45 1659.75
山東 562.25 656.85 1219.1
甘肅 639.95 548 1187.95
江蘇 645.25 451.5 1096.75
新疆 576.81 443.25 1002.56
寧夏 393.2 289 682.2
廣東 366.89 202.45 569.34
福建 283.75 283.5 567.25
山西 127.5 193 320.5
浙江 190.63 43.54 234.17
海南 58.2 138 196.2
北京 64.5 88 152.5
上海 39.4 102.5 141.9
云南 78.75 42 120.75
江西 42 42 84
河南 48.75 48.75
湖北 13.6 12.75 26.35
重慶 13.6 13.6
湖南 1.65 3.3 4.95
廣西 2.5 2.5
香港 0.8 0.8
小 計 12019.6 13803.2 25805.3
臺灣地區 358.15 77.9 436.05
總 計 12377.75 13881.1 26341.35
資料來源:中國風能專業委員會 2010年統計
風電前景
中國新能源戰略開始把大力發展風力發電設為重點。按照國家規劃,未來15年,全國風力發電裝機容量將達到2000萬至3000萬千瓦。以每千瓦裝機容量設備投資7000元計算,根據《風能世界》雜志發布,未來風電設備市場將高達1400億元至2100億元。
中國風力等新能源發電行業的發展前景十分廣闊,預計未來很長一段時間都將保持高速發展,同時盈利能力也將隨著技術的逐漸成熟穩步提升。2009年該行業的利潤總額將保持高速增長,經過2009年的高速增長,預計2010、2011年增速會稍有回落,但增長速度也將達到60%以上。
風電發展到目前階段,其性價比正在形成與煤電、水電的競爭優勢。風電的優勢在于:能力每增加一倍,成本就下降15%,近幾年世界風電增長一直保持在30%以上。隨著中國風電裝機的國產化和發電的規模化,風電成本可望再降。因此風電開始成為越來越多投資者的逐金之地。
據了解,由于托里縣具備充足的風能資源,隨著國家不斷加大對清潔能源的開發支持力度,一批批大型風電項目落戶托里縣,加速了風電基地建設[3] 。