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如何有效利用风能并做到风电的并网及消纳

放大字体  缩小字体 发布日期:2015-08-17   来源:亮报   

编者按

如果天不再蓝、电不够用,未来人类该如何选择?为了解决全球能源紧张和环境污染问题,大力发展清洁能源已成为缓解能源瓶颈的有效途径。利用清洁能源发电,能够减少对传统能源的消耗和对环境的污染,使我们的生活更加健康、节能低碳。

风吹绿电来

——如何有效利用风能

不必说文人墨客笔下“春风又绿江南岸”“柳絮池塘淡淡风”所呈现的充满诗情画意的风,单只讲为人类传递信息的风筝、提供动力的风车和风帆,都是人类有效利用风的杰作。风能相对于传统的化石能源,是一种清洁能源,利用风能的最好途径就是将风能转化为电能使用。本期,就和你讲讲风能的特点,以及人们是如何利用风能发电的。

1、风是如何形成的?

风的能量主要来自于太阳能,太阳的辐射给地球上的空气加热时,地球大气受热并不均匀,温度高的地方空气上升,于是在地表形成了低压;温度低的地方空气下降,在地表形成了高压。高压和低压之间形成气压梯度,空气从高压区向低压区流动,就形成了水平运动的风。

2、风按照强度分类,可以分为哪几级?

你一定在天气预报中听到过类似这样的说法,“渤海风力6~7级转4~5级”。这里所说的“级”就是按照强度对风的分类,称为“蒲福风力等级”。它把风按照风速分为从0~12共13个等级,数字越高,风速越快,风中所携带的能量越大。

为了方便记录,人们还给这13个等级的风分别起了名字:0级为无风,1级为软风,2级为轻风,3级为微风,4级为和风,5级为清风,6级为强风,7级为疾风,8级为大风,9级为烈风,10级为狂风,11级为暴风,12级为飓风。

3、风能的特点是什么?

我们来看看风能的特点:首先,风能的蕴量巨大。太阳辐射到地球的能量中,有2%转化为风能,这可是一个非常庞大的数字。

地球上的风能约为27400亿千瓦,其中可以利用的约200亿千瓦,这个数量有多大呢?它是地球上可开发利用的水能总量的10倍!全世界每年燃烧煤炭得到的能量,还不到风能在同一时间内提供给地球能量的1%。

风能最厉害的地方还不仅限于此。风能是可再生的,几乎可以说是取之不尽、用之不竭的。另外,风能是清洁能源,现如今人们使用的风能利用技术不会造成空气污染。

然而有效地利用风能可并不简单,摆在人们面前的困难重重。

第一,风功率密度低,也就是说风能虽然大,但是很难集中利用。为什么说风能多,但不集中呢?如果我们利用化石能源,开采一个煤矿或者油田就行了;如果利用水能,在合适的地方修个水电站就可以了。风能四处皆是,很难把它们集中利用。因此需要选好风电场场址,形成规模化利用。

第二,风能是不稳定的,一阵风大,一阵风小,几乎没什么规律,让人很难掌控。

第三,风能的分布很不均匀。要想利用好风能肯定需要很多技术手段。

4、我国的风能主要分布在哪些地区?

度量一个地方风能资源是否丰富,我们常用“风功率密度”这个概念,它的单位是“瓦/平方米”。

如果我们把风能资源的多少画在中国地图上,就会见到一个很有意思的画面:西北、东北、华北、东南地区都是风能资源丰富的地方,中原地带和西南、东南部分地区的风能资源贫乏。

我国风能资源总的技术可开发利用量为7亿~12亿千瓦。蒙东、蒙西、新疆哈密、甘肃酒泉、河北坝上、吉林西部、江苏沿海、山东沿海等地区是我国风能资源最丰富的地区,50米高度3级以上风能资源潜在开发量约18.5亿千瓦,占全国陆上风能资源的77.7%。

5、人们是如何利用风能发电的?

风力发电的基本原理简单来说,就是将风的动能转变为机械能,再将机械能转变为电能。

具体来说,就是风吹过风车桨叶时在桨叶正反面形成压差,驱动风轮旋转,将风的动能转变为风轮的机械能。发电机在风轮的带动下旋转发电,将机械能转变为电能。实现这一能量转换的设备为风力发电机组。

风力发电机组的功率是衡量风力发电机组发电能力的指标,功率越大,则发电能力越强。风电机组在达到额定功率之前,其输出功率和风速的立方成正比,因此风速是风能资源的关键因素。

但是,人们从风中提取的能量最多只能是它的59.6%,一般情况下要小于40%。

小知识:风能利用的历史

人们很早就注意到风能是一种非常好的能源,而且一直在寻找各种有效利用的方法。在几千年之前,古埃及人就发明了风帆,他们在船上安上风帆,借助风力使船航行。中国在明代之后,开始普遍使用风帆驱动水车灌田。

18世纪,荷兰曾利用近万座风车将海堤内的水排干,成了著名的风车之国。这种风车在欧洲大陆很普遍,是机械能的主要来源。可是后来,蒸汽机、电动机等高效的新兴机械产品出现了,古老的风车显得又慢又笨,于是被纷纷弃之不用。

风能重新被规模利用,是1973年发生石油危机以后,美国、西欧的一些国家为寻求替代化石燃料的能源,利用计算机、空气动力学和材料科学等领域的新技术研制出现代风力发电机组,加之人们越来越意识到常规化石能源对环境的污染,于是积极开发清洁、可再生的能源。风能作为一种很好的清洁能源,如今越来越受到人们的重视,并被大规模开发利用。

链接:我国风电的发展历程

我国在20世纪50年代后期开始风力发电研究工作。1986年,中国最早的风电场——马兰风电场的3台机组并网运行。

2006年1月1日,《中华人民共和国可再生能源法》正式实施,中国风力发电进入大规模发展阶段,装机规模持续迅猛增长。

2009年突破1000万千瓦,2012年突破5000万千瓦,取代美国成为世界第一风电装机大国。

截至2015年2月底,我国并网风电装机容量突破1亿千瓦,达到10004万千瓦,继续稳居我国第三大发电类型和世界风电装机首位。我国已成为全球风电装机增长速度最快、新增风电装机容量最大的国家。

风吹绿电来

——如何做到风电的并网及消纳

上期科普版介绍了人们是如何有效利用风能的,本期再来和你讲讲风电建设者是如何为风电场选址的,风电并网对电网会产生哪些影响,以及如何确保风电的消纳。

1、风电机组由哪些部分组成?

从外形看,风力发电机组由风轮、机舱、塔架组成。

                           

风轮。风轮一般由2~3个桨叶装在轮毂上组成,是风力发电机组接收风能的部件。我们平时看到那个像风车一样的东西,其实就是桨叶,它就像水中划船用的桨一样,桨叶越大,从风中获取的能量也就越多。目前,风电场的风力发电机组大多采用3个桨叶,其特点是运行平稳、效率高。制作桨叶的材料通常是玻璃纤维,但是随着桨叶的不断加大,还需要既能减轻桨叶质量,又能满足强度与刚度要求的复合材料,如碳纤维、竹纤维、高强度玻璃纤维。

机舱。机舱内有齿轮箱、发电机、控制系统等关键设备,负责将风轮的动能转换成电能。

塔架。风力发电机组需要通过塔架将其置于空中,以获取更多的风能。塔架内通常装有梯子,以便工作人员沿梯子进入塔架顶端的机舱进行检修操作。

2、风电场如何选址?

选择风电场的场址,是对一个较大区域的风能、气象条件、电网、交通、地质、周围环境等因素和条件综合考察后,选择一个风能资源丰富、最有利用价值的小区域的过程。要综合考虑以下几个方面的因素:

(1)风能的质量。风能的质量不仅包括风能的多少,即年平均风速高、风功率密度大、可利用小时数等,还包括风的一些特性,如风向基本稳定、风速变化小等。

(2)气象条件。在与风打交道时,气象条件尤为重要。勘测一处风电场,要了解这个地方的温度、湿度、气压等气象学信息。此外,风电场一定要尽量避开那些气象灾害频发的地区。这些气象灾害包括强台风、龙卷风、雷电、沙暴、覆冰、盐雾等。

(3)地理条件。风力发电机组的队列要讲究按地形“排兵布阵”,风电场的选址也需要结合大量地理因素。首先要注意地形和地表植被。此外,建设风电场也需要尽量避开地质灾害较多的地方,比如地震带、火山频发的地域。

(4)其他因素。除了“天时地利”,建设风电场还需要充分考虑到“人和”的因素。选择靠近电网的区域建设风电场可以有效降低成本,也减少了电能损耗。风电场应远离人口稠密的地方,以避免风力发电机组噪声、风力发电机组损坏时的易发危险给人们带来的影响。风电场的选择还需要考虑尽量少破坏地表植被,尽量不侵占野生动物的巢穴区,并尽量避开鸟类的飞行路线。

3、风电场的发电机组是如何排布的?

                   

通过对地形和风能的研究,人们为风力发电机组编排了各种队形。风力发电机组排布时,通常呈“梅花阵”排列。“梅花阵”是针对比较平坦、风向相对单一地区设计的阵列,它的整体形态为矩阵式分布,各排之间相互平行,但每两排间是相互错位的。这样做是为了减小风力发电机组之间的尾流干扰。“田字阵”和“圆形阵”都是为应对多个风向并存的情况设计的。

4、风电并入电网,对电网有何影响?

风是一种自然现象,风速与风向会随机不断变化,以致造成风电的频率、电压不稳定。而风电场大都采用了并网发电的模式,也就是将风电并入一个电网。如果一个电网中的风电比重过大,那么提供的电能质量就会受到影响,这样会使我们家庭使用的电压不稳定,以致灯泡一会儿亮,一会儿暗,或导致一些电器无法正常工作,严重时会导致整个电网瘫痪。因此,现在科研人员都在研究如何将风电变得更稳定。

5、如何确保风电的消纳?

近年来,我国风力发电进入了大规模发展阶段。风电高速发展也带来了并网和消纳难题。那么,如何确保风电的消纳呢?专家建议,要统一协调各种类型的电源规划,在风电场建成之前就规划好如何并网、如何消纳;电网建设应该走在风电开发之前,加快风电送出工程建设,提高风电外送能力;还要注重加强风电优先调度,挖掘系统调峰能力;每年冬季供暖期,优化风电配套线路检修计划,优化供热机组调度,努力增加风电消纳空间。此外,还要加快建设以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强智能电网,加大风电消纳范围和外送力度,实施风光水火电打捆外送,在全国范围优化配置和消纳。

6、为何要开展大规模海上风力发电?

众所周知,海面上的风能资源比陆地上丰富,海上很少有静风期,能更有效地利用风力发电机组的发电容量。海上的风速随高度的变化小,不需要很高的塔架。而且,海上没有复杂的地形对气流的影响,因此减小了风对风力发电机组的疲劳损耗,可延长其使用寿命。另外,海上风电不占用宝贵的陆地资源,且适合安装大型机组。目前,很多国家都在发展大规模海上风电场,海上风力发电已成为风电的发展趋势。我国有漫长的海岸线,有着丰富的海上风能资源。国家能源局2010年指出,要大力推进海上风力发电基地建设。

(原标题:风吹绿电来——1.如何有效利用风能、2.如何做到风电的并网及消纳)

 
 
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