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风能综合利用与开发
风能的开发与利用
摘要:在不断持续的能源紧张中,不少人想到了新能源利用。利用洁净的能源(可再生能源)是人类社会文明进步的表现、是科学技术的发展、是环保理念的体现。洁净能源指太阳能、风能、潮汐能、生物能等,这都是可再生取之不尽的能源,特别是风能技术最为成熟,经济可行性较高,是一种较理想的发展能源。本文通过对风力发电进行阐述与模型的建立,最后提出了风力在实际生活中的一些利用以及风力发电的潜力。
关键词:风能;能源开发;能源利用;洁净能源
风是地球上的一种自然现象,它是由太阳辐射热引起的。风能是太阳能的一种转换形式,是一种重要的自然能源。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。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×109MW,其中可利用的风能为2×107MW,比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。我国风能资源总量约42亿千瓦,技术可开发量约3亿千瓦。目前东南沿海是最大风能资源区,风能密度为200W/M2~300W/M2,大于6m/s的风速时间全年3000h以上就可取得较大经济效益。风能与其他能源相比,有其明显的优点:蕴量巨大、可以再生、分布广泛、没有污染。风能和阳光一样,是取之不尽、用之不竭的再生能源;风力发电没有燃料问题,不会产生辐射或二氧化碳公害,也不会产生辐射或空气污染;而且从经济的角度讲,风力仪器比太阳能仪器要便宜九成多。中国风能储量很大、分布面广,甚至比水能还要丰富。合理利用风能,既可减少环境污染,又可减轻越来越大的能源短缺的压力。
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21世纪是可再生能源的世纪,由于风能非常丰富、价格非常便宜、能源不会枯竭,又可以在很大范围内取得,非常干净、没有污染,不会对气候造成影响,因而风力发电具有极大的推广价值。在中国,风能资源丰富的地区主要集中在北部、西北和东北的草原、戈壁滩以及东部、东南部的沿海地带和岛屿上。这些地区缺少煤炭及其他常规能源,并且冬春季节风速高,雨水少;夏季风速小,降雨多,风能和水能具有非常好的季节补偿。另外,在中国内陆地区,由于特殊的地理条件,有些地区具有丰富的风能资源,适合发展风电,比如江西省都阳湖地区以及湖北省通山地区。目前我国的风能利用方面与国际水平还在一定差距,但是发展很快,无论在发展规模上还是发展水平上,都有很大提高。据资料显示,2004年全国在建项目的装机容量约150万千瓦,其中正在施工的约42万千瓦,可研批复的68万千瓦,项目建议书批复的45万千瓦,包括五个10万千瓦特许权项目。
目前,全国能源结构性矛盾突出,一次能源只有煤炭和水电;而且电煤在煤炭资源上是有限的,水电开发程度又较低。风电和水电具有不同步发生规律,风力发电高峰处于秋季与冬季,水利发电高峰期处于春季和夏季,风电和水电具有季节性特性,可实现季节性互补;风力发电是环保型可再生能源,可改善电源结构,替代一部分火电容量,节约煤炭,减少污染,保护环境。据资料显示,“十一五”末全国电网电力开始出现缺额,并且缺额会逐年增加,其他类型电力资源的供应是在必行,而风电资源是最好的选择。风电场的建设,可以解决局部地区电网电力不足的矛盾,满足各地电网日益增长的电力需要;同时可就近向当地供电,减少了长距离输送的网损,提高供电可靠性和经济性。
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风力发电的基本原理?
风能具有一定的动能,通过风轮机将风能转化为机械能,拖动发电机发电。风力发电的原理是利用风带动风车叶片旋转,再通过增速器将旋转的速度提高来促使发电机发电的。依据目前的风车技术,大约3m/s的微风速度便可以开始发电。风力发电的原理说起来非常简单,最简单的风力发电机可由叶片和发电机两部分构成如图1-1所示。空气流动的动能作用在叶轮上,将动能转换成机械能,从而推动片叶旋转,如果将叶轮的转轴与发电机的转轴相连就会带动发电机发出电来。
风资源概述
(1)风的起源?
风的形成乃是空气流动的结果。风就是水平运动的空气,空气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。大气的流动也像水流一样,是从压力高处往压力低处流,太阳能正是形成大气压差的原因。°的夹角,因此对地球上不同地点太阳照射角度是不同的,而且对同一地点一年中这个角度也是变化的。地球上某处所接受的太阳辐射能与该地点太阳照射角的正弦成正比。
(2)风的参数?
风向和风速是两个描述风的重要参数。风向是指风吹来的方向,如果风是从东方吹来就称为东风。风速是表示风移动的速度即单位时间内空气流动所经过的距离。
风速是指某一高度连续10min所测得各瞬时风速的平均值。一般以草地上空10m高处的10min内风速的平均值为参考。
风玫瑰图是一个给定地点一段时间内的风向分布图。通过它可以得知当地的主导风向。
(3)风能的基本情况?
①风能的特点?
风能的特点主要有:能量密度低、不稳定性、分布不均匀、可再生、须在有风地带、无污染、分布广泛、可分散利用、另外不须能源运输、可和其它能源相互转换等。
②风能资源的估算?
风能的大小实际就是气流流过的动能,因此可以推导出气流在单位时间内垂直流过单位截面积的风能,即风功率为?
式中为风能(w);
为空气密度(kg/m);
v为风速(m/s)。
由于风速是一个随机性很大的量,必须通过一段时间的观测来了解它的平均状况,一个地方风能潜力的多少要视该地常年平均风能密度的大小。因此需要求出在一段时间内的平均风能密度,这个值可以将风能密度公式对时间积分后平均来求得。在风速V的概率分布p(V)知道后,平均风能密度还可根据下式求得?
风轮机的理论?
风轮机又称为风车,是一种将风能转换成机械能、电能或热能的能量转换装置。风轮机的类型很多通常将其分为水平轴风轮机垂直轴风轮机和特殊风轮机三大类。但应用最广的还是前两种类型的风轮机。风力发电机的结构与组成
风力发电机的分类?
风力发电机组是将风能转化为电能的装置,按其容量分可分为:小型(10kw以下)、中型(10—100kw)和大型(100kw以上)风力发电机组。按主轴与地面相对位置又可分为:水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组。水平轴风力发电机是目前世界各国风力发电机最为成功的一种形式,主要优点是风轮可以架设到离地面较高的地方,从而减少了由于地面扰动对风轮动态特性的影响。它的主要机械部件都在机舱中,如主轴、齿轮箱、发电机、液压系统及调向装置等。而生产垂直轴风力发电机的国家很少,主要原因是垂直轴风力发电机效率低,需启动设备,同时还有些技术问题尚待解决。在本文中以后不做特殊说明时所指的风力发电机组即为大中型的水平轴风力发电机组。
水平轴风力发电机的结构?
大中型风力发电机组是由叶片、轮毂、主轴、增速齿轮箱、调向机构、发电机、塔架、控制系统及附属部件(机舱机座回转体制动器等)组成的。
(1)机舱?
机舱包含着风力发电机的关键设备,包括齿轮箱、发电机等。
(2)风轮?
叶片安装在轮毂上称作风轮,它包括叶片、轮毂、主轴等。风轮是风力发电机接受风能的部件。
叶片是风力发电机组最关键的部件,现代风力发电机上每个转子叶片的测量长度大约为20米叶片数通常为2枚或3枚,大部分转子叶片用玻璃纤维强化塑料(GRP)制造。叶片可分为变浆距和定浆距两种叶片,其作用都是为了调速,当风力达到风力发电机组设计的额定风速时,在风轮上就要采取措施,以保证风力发电机的输出功率不会超过允许值。
轮毂是连接叶片和主轴的零部件。轮毂一般由铸钢或钢板焊接而成,其中不允许有夹渣、砂眼、裂纹等缺陷,并按桨叶可承受的最大离心力载荷来设计。
主轴也称低速轴,将转子轴心与齿轮箱连接在一起,由于承受的扭矩较大,其转速一般小于50r/min,一般由40Cr或其他高强度合金钢制成。
(3)增速器?
增速器就是齿轮箱,是风力发电机组关键部件之一。由于风轮机工作在低转速下,而发电机工作在高转速下,为实现匹配采用增速齿轮箱。使用齿轮箱可以将风电机转子上的较低转速、较高转矩转换为用于发电机上的较高转速、较低转矩。
(4)联轴器
增速器与发电机之间用联轴器连接,为了减少占地空间,往往联轴器与制动器设计在一起。
(5)制动器?
制动器是使风力发电机停止转动的装置,也称刹车。
(6)发电机?
发电机是风力发电机组中最关键的部件,是将风能最终转变成电能的设备。发电机的性能好坏直接影响整机效率和可靠性。大型风电机(100-150千瓦)通常产生690伏特的三相交流电。然后电流通过风电机旁的变压器(或在塔内),电压被提高至1-3万伏,这取决于当地电网的标准。风力发电机上常用的发电机有以下几种:
①直流发电机,常用在微、小型风力发电机上。
②永磁发电机,常用在小型风力发电机上。现在我国已经发明了交流电压440/240V的高效永磁交流发电机,可以做成多对极低转速的,特别适合风力发电机。
③同步或异步交流发电机,它的电枢磁场与主磁场不同步旋转,其转速比同步转速略低,当并网时转速应提高。
(7)塔架?
塔架是支撑风力发电机的支架。塔架有型钢架结构的,有圆锥型钢管和钢筋混凝土的等三种形式,风电机塔载有机舱及转子。
(8)调速装置风速是变化的,风轮的转速也会随风速的变化而变化。为了使风轮运转所需要额定转速下的装置称为调速装置,调速装置只在额定风速以上时调速。目前世界各国所采用的调速装置主要有以下几种:
①可变浆距的调速装置;
②定浆距叶尖失速控制的调速装置;
③离心飞球调速装置;
④空气动力调速装置;
⑤扭头、仰头调速装置。
(9)调向(偏航)装置?
调向装置就是使风轮正常运转时一直使风轮对准风向的装置。借助电动机转动机舱以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作,电子控制器可以通过风向标来感觉风向。通常在风改变其方向时,风电机一次只会偏转几度。
(10)风力发电机微机控制系统
风力发电机的微机控制属于离散型控制,是将风向标、风速计、风轮转速、发电机电压、频率、电流、发电机温升、增速器温升、机舱振动、塔架振动、电缆过缠绕、电网电压、电流、频率等传感器的信号经A/D转换,输送给单片机再按设计程序给出各种指令实现自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、运行中机组故障的自动停机、自动电缆解绕、过振动停机、过大风停机等的自动控制。自我故障诊断及微机终端故障输出需维修的故障,由维修人员维修后给微机以指令,微机再执行自动控制程序。风电场的机组群可以实现联网管理、互相通信,出现故障的风机会在微机总站的微机终端和显示器上读出、调出程序和修改程序等,使现代风力发电机真正实现了现场无人职守的自动控制。
(11)电缆扭缆计数器?
电缆是用来将电流从风电机运载到塔下的重要装置。但是当风电机偶然沿一个方向偏转太长时间时,电缆将越来越扭曲,导致电缆扭断或出现其他故障。因此风力发电机配备有电缆扭曲计数器,用于提醒操作员应该将电缆解开了。风力发电机还会配备有拉动开关在电缆扭曲太厉害时被激发,断开装置或刹车停机,然后解缆。
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由风力发电机(风力机)年发电量和风力发电成本计算公式,确定风力机容量系数和风力机价格为风电成本主要影响因素,并进一步指出,特定场点的风电成本取决于风力机参数和价格。
根据风力发电原理,确定风力机容量系数和风力机价格为风力发电经济效益主要影响因素,并对风力机容量系数和风电成本的计算结果进行了分析。
风力发电成本计算111年发电量风力机年发电量:
W=8760F*Pr
式中F——风力机容量系数;
Pr——风力机额定功率。
风能利用主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能,其具体用途也是多样的:
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利用风力发电已越来越成为风能利用的主要形式,受到世界各国的高度重视,而且发展速度最快。风力发电通常有三种运行方式。一是独立运行方式,通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力,它用蓄电池蓄能,以保证无风时的用电。二是风力发电与其他发电方式(如柴油机发电)相结合,向一个单位或一个村庄或一个海岛供电。三是风力发电并入常规电网运行,向大电网提供电力;常常是一处风场安装几十台甚至几百台风力发电机,这是风力发电的主要发展方向。
风力发电的优越性可归纳为三点:第一,建造风力发电场的费用低廉,比水力发电厂、火力发电厂或核电站的建造费用低得多;第二,不需火力发电所需的煤、油等燃料或核电站所需的核材料即可产生电力,除常规保养外,没有其他任何消耗;第三,风力是一种洁净的自然能源,没有煤电、油电与核电所伴生的环境污染问题。
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风能最早的利用方式是“风帆行舟”。埃及尼罗河上的风帆船、中国的木帆船,都有两三千年的历史记载。唐代有“乘风破浪会有时,直挂云帆济沧海”诗句,可见那时风帆船已广泛用于江河航运。最辉煌的风帆时代是中国的明代,14世纪初中国航海家郑和七下西洋,风帆船队功不可没。
在机动船舶发展的今天,为节约燃油和提高航速,古老的风帆助航也得到了发展。航运大国日本已在万吨级货船上采用电脑控制的风帆助航,节油率达15%。
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1000多年前,中国人首先发明了风车,用它来提水、磨面,替代繁重的人力劳动。风力提水自古至今一直得到较普遍的应用。20世纪下半时,为解决农村、牧场的生活、灌溉和牲畜用水以及为了节约能源,风力提水机有了很大的发展。现代风力提水机根据用途分为两类:一类是高扬程小流量的风力提水机,它与活塞泵相配,提取深井地下水,主要用于草原、牧区,为人畜提供饮水;另一类是低扬程大流量的风力提水机,它与螺旋泵相配,提取河水、湖水或海水,主要用于农田灌溉、水产养殖或制盐。
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随着生活水平的提高,家庭用热能的需要越来越大,特别是在高纬度的欧洲、北美取暖、烧水是耗能大户。为解决家庭及低品位工业热能的需要,风力致热有了较大的发展。
“风力致热”是将风能转换成热能。目前有三种转换方法。一是风力机发电,再将电能通过电阻丝发热,变成热能。虽然电能转换成热能的效率是100%,但风能转换成电能的效率却很低,因此从能量利用的角度看,这种方法是不可取的。二是由风力机将风能转换成空气压缩能,再转换成热能,即由风力机带动一离心压缩机,对空气进行绝热压缩而放出热能。三是将风力机直接转换成热能。显然第三种方法致热效率最高。风力机直接转换热能也有多种方法。最简单的是搅拌液体致热,即风力机带动搅拌器转动,从而使液体(水或油)变热。“液体挤压致热”是用风力机带动液压泵,使液体加压后再从狭小的阻尼小孔中高速喷出而使工作液体加热。此外还有固体摩擦致热和涡电流致热等方法。
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我国利用风能的历史较为久远,风能的利用途径多样,主要有风力助燃、风力航海、风力灌溉等利用途径。其中,就风力灌溉而言,我国国土面积辽阔,南北之间气候变化较明显,利用风力灌溉方法不同。东南沿海、辽东半岛及海上岛均等地区风能资源及地表水源丰富,主要通过借助风力设施抽提地表水进行农业灌溉。与沿海地区不同,西部风能资源丰富地区主要包括内蒙、甘肃以及黄河冲积平原等周边地区,而这些地区地下水资源丰富,主要通过风力助力设施抽提地下水作为食用水及农业灌概用水。
近年来,由于传统燃料价格上涨,工程师们尝试发展其他更好的方法利用风力。风力虽不很稳定,但是比其他动力资源要来得便利,因为;风向自由、清洁、不会产生不良的副作用,例如,产生有毒的废物等。而且风可以推陈出新、供应不断,这是由于太阳照射局部的地球表面,使大气压力因地球表面的温差而异,已知空气因压力差而流动;所以只要有太阳的照射,风就会不断地吹。
但事实又是,在低碳发展、绿色发展的需求和环境保护呼声日益高涨的关头,作为清洁能源的风电还被大规模弃用。
中国气象局风能太阳能资源中心副主任杨振斌解释说:“风电具有随机性、间歇性、波动性特点,而电网的安全稳定运行要求电源稳定、可控。一旦天气在较短的时间内由大风转为小风、甚至静风,而其他的电源又无法在相应的时间内补充上来,就给电网稳定运行带来困难,影响电力系统的安全性。”风电行业人士将风电比作任性的孩子,“需要它发电时,可能一下没风了。不需要那么多时,刮得起劲”。如果风机无法承受系统电压的波动,或是电网发生了故障,就容易导致脱网。脱网则会威胁整个电网的安全,甚至可能造成电网瘫痪。所以,目前并网和消纳难的问题成为风电发展的主要制约因素。发展可再生的清洁能源,是国家“十二五”规划的重要内容。因此,为了更加合理地发展风电这种清洁能源,合理调度风电并网是重要问题。开发风电对环境来讲,利大于弊。由于大量的风能资源处于戈壁滩、大草原和沿海滩涂地区,给开发带来不便,但依靠后方力量的支援一定能够克服。此外,虽然风电建设要占用大面积的土地,旋转的风机叶片可能产生噪音污染等,但在荒凉地区开发风电,对社会和环境影响非常少,不占用基本农田,不存在与民争地的矛盾。因此,在这些地区的大风口建设风电,不仅可以利用荒地清洁生产电力,还可以削弱风速,减少冬春季节的扬沙浮尘天气。