如果天不再藍(lán)、電不夠用，未來(lái)人類該如何選擇?為了解決全球能源緊張和環(huán)境污染問(wèn)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(duì)傳統(tǒng)能源的消耗和對(duì)環(huán)境的污染，使我們的生活更加健康、節(jié)能低碳。
風(fēng)吹綠電來(lái)
——如何有效利用風(fēng)能
不必說(shuō)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(shī)情畫意的風(fēng)，單只講為人類傳遞信息的風(fēng)箏、提供動(dòng)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(duì)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(diǎn)，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(lái)自于太陽(yáng)能，太陽(yáng)的輻射給地球上的空氣加熱時(shí)，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(dòng)，就形成了水平運(yùn)動(dòng)的風(fēng)。
2、風(fēng)按照強(qiáng)度分類，可以分為哪幾級(jí)?
你一定在天氣預(yù)報(bào)中聽(tīng)到過(guò)類似這樣的說(shuō)法，“渤海風(fēng)力6~7級(jí)轉(zhuǎn)4~5級(jí)”。這里所說(shuō)的“級(jí)”就是按照強(qiáng)度對(duì)風(fēng)的分類，稱為“蒲福風(fēng)力等級(jí)”。它把風(fēng)按照風(fēng)速分為從0~12共13個(gè)等級(jí)，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(gè)等級(jí)的風(fēng)分別起了名字：0級(jí)為無(wú)風(fēng)，1級(jí)為軟風(fēng)，2級(jí)為輕風(fēng)，3級(jí)為微風(fēng)，4級(jí)為和風(fēng)，5級(jí)為清風(fēng)，6級(jí)為強(qiáng)風(fēng)，7級(jí)為疾風(fēng)，8級(jí)為大風(fēng)，9級(jí)為烈風(fēng)，10級(jí)為狂風(fēng)，11級(jí)為暴風(fēng)，12級(jí)為颶風(fēng)。
3、風(fēng)能的特點(diǎn)是什么?
我們來(lái)看看風(fēng)能的特點(diǎn)：首先，風(fēng)能的蘊(yùn)量巨大。太陽(yáng)輻射到地球的能量中，有2%轉(zhuǎn)化為風(fēng)能，這可是一個(gè)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(gè)數(shù)量有多大呢?它是地球上可開(kāi)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(shí)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(shuō)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(huì)造成空氣污染。
然而有效地利用風(fēng)能可并不簡(jiǎn)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(shuō)風(fēng)能雖然大，但是很難集中利用。為什么說(shuō)風(fēng)能多，但不集中呢?如果我們利用化石能源，開(kāi)采一個(gè)煤礦或者油田就行了;如果利用水能，在合適的地方修個(gè)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(chǎng)場(chǎng)址，形成規(guī)?；?。
第二，風(fēng)能是不穩(wěn)定的，一陣風(fēng)大，一陣風(fēng)小，幾乎沒(méi)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(guó)的風(fēng)能主要分布在哪些地區(qū)?
度量一個(gè)地方風(fēng)能資源是否豐富，我們常用“風(fēng)功率密度”這個(gè)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(guó)地圖上，就會(huì)見(jiàn)到一個(gè)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(guó)風(fēng)能資源總的技術(shù)可開(kāi)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(guó)風(fēng)能資源最豐富的地區(qū)，50米高度3級(jí)以上風(fēng)能資源潛在開(kāi)發(fā)量約18.5億千瓦，占全國(guó)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/div>
具體來(lái)說(shuō)，就是風(fēng)吹過(guò)風(fēng)車槳葉時(shí)在槳葉正反面形成壓差，驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪的機(jī)械能。發(fā)電機(jī)在風(fēng)輪的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)發(fā)電，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。?shí)現(xiàn)這一能量轉(zhuǎn)換的設(shè)備為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率是衡量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電能力的指標(biāo)，功率越大，則發(fā)電能力越強(qiáng)。風(fēng)電機(jī)組在達(dá)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(shí)：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?cè)诖习采巷L(fēng)帆，借助風(fēng)力使船航行。中國(guó)在明代之后，開(kāi)始普遍使用風(fēng)帆驅(qū)動(dòng)水車灌田。
18世紀(jì)，荷蘭曾利用近萬(wàn)座風(fēng)車將海堤內(nèi)的水排干，成了著名的風(fēng)車之國(guó)。這種風(fēng)車在歐洲大陸很普遍，是機(jī)械能的主要來(lái)源?？墒呛髞?lái)，蒸汽機(jī)、電動(dòng)機(jī)等高效的新興機(jī)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(jī)以后，美國(guó)、西歐的一些國(guó)家為尋求替代化石燃料的能源，利用計(jì)算機(jī)、空氣動(dòng)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(jī)組，加之人們?cè)絹?lái)越意識(shí)到常規(guī)化石能源對(duì)環(huán)境的污染，于是積極開(kāi)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(lái)越受到人們的重視，并被大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用。
鏈接：我國(guó)風(fēng)電的發(fā)展歷程
我國(guó)在20世紀(jì)50年代后期開(kāi)始風(fēng)力發(fā)電研究工作。1986年，中國(guó)最早的風(fēng)電場(chǎng)——馬蘭風(fēng)電場(chǎng)的3臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行。
2006年1月1日，《中華人民共和國(guó)可再生能源法》正式實(shí)施，中國(guó)風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入大規(guī)模發(fā)展階段，裝機(jī)規(guī)模持續(xù)迅猛增長(zhǎng)。
2009年突破1000萬(wàn)千瓦，2012年突破5000萬(wàn)千瓦，取代美國(guó)成為世界第一風(fēng)電裝機(jī)大國(guó)。
截至2015年2月底，我國(guó)并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量突破1億千瓦，達(dá)到10004萬(wàn)千瓦，繼續(xù)穩(wěn)居我國(guó)第三大發(fā)電類型和世界風(fēng)電裝機(jī)首位。我國(guó)已成為全球風(fēng)電裝機(jī)增長(zhǎng)速度最快、新增風(fēng)電裝機(jī)容量最大的國(guó)家。
風(fēng)吹綠電來(lái)
——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(lái)和你講講風(fēng)電建設(shè)者是如何為風(fēng)電場(chǎng)選址的，風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生哪些影響，以及如何確保風(fēng)電的消納。
1、風(fēng)電機(jī)組由哪些部分組成?
從外形看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由風(fēng)輪、機(jī)艙、塔架組成。
風(fēng)輪。風(fēng)輪一般由2~3個(gè)槳葉裝在輪轂上組成，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接收風(fēng)能的部件。我們平時(shí)看到那個(gè)像風(fēng)車一樣的東西，其實(shí)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(chǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多采用3個(gè)槳葉，其特點(diǎn)是運(yùn)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(qiáng)度與剛度要求的復(fù)合材料，如碳纖維、竹纖維、高強(qiáng)度玻璃纖維。
機(jī)艙。機(jī)艙內(nèi)有齒輪箱、發(fā)電機(jī)、控制系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備，負(fù)責(zé)將風(fēng)輪的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能。
塔架。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要通過(guò)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(jìn)入塔架頂端的機(jī)艙進(jìn)行檢修操作。
2、風(fēng)電場(chǎng)如何選址?
選擇風(fēng)電場(chǎng)的場(chǎng)址，是對(duì)一個(gè)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(gè)風(fēng)能資源豐富、最有利用價(jià)值的小區(qū)域的過(guò)程。要綜合考慮以下幾個(gè)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(shí)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(shí)，氣象條件尤為重要?？睖y(cè)一處風(fēng)電場(chǎng)，要了解這個(gè)地方的溫度、濕度、氣壓等氣象學(xué)信息。此外，風(fēng)電場(chǎng)一定要盡量避開(kāi)那些氣象災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū)。這些氣象災(zāi)害包括強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、龍卷風(fēng)、雷電、沙暴、覆冰、鹽霧等。
(3)地理?xiàng)l件。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的隊(duì)列要講究按地形“排兵布陣”，風(fēng)電場(chǎng)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(chǎng)也需要盡量避開(kāi)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(shí)地利”，建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)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(chǎng)可以有效降低成本，也減少了電能損耗。風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)遠(yuǎn)離人口稠密的地方，以避免風(fēng)力發(fā)電機(jī)組噪聲、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組損壞時(shí)的易發(fā)危險(xiǎn)給人們帶來(lái)的影響。風(fēng)電場(chǎng)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(dòng)物的巢穴區(qū)，并盡量避開(kāi)鳥(niǎo)類的飛行路線。
3、風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電機(jī)組是如何排布的?
通過(guò)對(duì)地形和風(fēng)能的研究，人們?yōu)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)組編排了各種隊(duì)形。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組排布時(shí)，通常呈“梅花陣”排列。“梅花陣”是針對(duì)比較平坦、風(fēng)向相對(duì)單一地區(qū)設(shè)計(jì)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?jī)膳砰g是相互錯(cuò)位的。這樣做是為了減小風(fēng)力發(fā)電機(jī)組之間的尾流干擾。“田字陣”和“圓形陣”都是為應(yīng)對(duì)多個(gè)風(fēng)向并存的情況設(shè)計(jì)的。
4、風(fēng)電并入電網(wǎng)，對(duì)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(huì)隨機(jī)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(chǎng)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(gè)電網(wǎng)。如果一個(gè)電網(wǎng)中的風(fēng)電比重過(guò)大，那么提供的電能質(zhì)量就會(huì)受到影響，這樣會(huì)使我們家庭使用的電壓不穩(wěn)定，以致燈泡一會(huì)兒亮，一會(huì)兒暗，或?qū)е乱恍╇娖鳠o(wú)法正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)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(lái)，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入了大規(guī)模發(fā)展階段。風(fēng)電高速發(fā)展也帶來(lái)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(chǎng)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(kāi)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(qiáng)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(jì)劃，優(yōu)化供熱機(jī)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(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)，加大風(fēng)電消納范圍和外送力度，實(shí)施風(fēng)光水火電打捆外送，在全國(guó)范圍優(yōu)化配置和消納。
6、為何要開(kāi)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(jī)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(méi)有復(fù)雜的地形對(duì)氣流的影響，因此減小了風(fēng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的疲勞損耗，可延長(zhǎng)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(jī)組。目前，很多國(guó)家都在發(fā)展大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)，海上風(fēng)力發(fā)電已成為風(fēng)電的發(fā)展趨勢(shì)。我國(guó)有漫長(zhǎng)的海岸線，有著豐富的海上風(fēng)能資源。國(guó)家能源局2010年指出，要大力推進(jìn)海上風(fēng)力發(fā)電基地建設(shè)。
