第一章风能的来历   风来自哪里呢?风能又是利用什么原理来产生呢?为什么人类要利用风能呢?相信大家都想要知道,并且想要知道风能利用到底有什么危害,那么本章将告诉你风能的产生,以及风能的能量,让你更多的了解风能的各个方面。   风能的概述   ※风能   风是由太阳的辐射热引起的,属于地球上的一种自然现象。当地球表面被太阳照射到时,地球表面各处就会受到不同的热,从而产生温差,这就引起大气的对流运动而形成了风。据估计,在到达地球的太阳能中虽然只有大约2%的转化为风能,但它的总量依然是十分可观的。全球的风能约为2.74×109兆瓦,其中可利用的风能为2×107兆瓦,比地球上可供开发利用的水能的总量还要大10倍。   人类对风能的利用历史是十分悠久的,可以追溯到公元前。但数千年来,由于科技不是很发达,风能技术的发展又比较缓慢,没有引起人们足够的重视。但自1973年世界石油危机以来,常规能源出现了危机,全球的生态环境逐渐恶化,面对这双重的压力,风能作为新能源的一部分才重新有了比较长远的发展。风能作为一种可再生和没有污染的新能源,其发展潜力是非常巨大的,特别是那些沿海岛屿,交通不便的边远山区,地广人稀的草原牧场,以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆,作为解决生产和生活能源的一种可靠途径,意义是十分重要的。在一些发达的国家,风能作为一种高效清洁的新能源也越来越受到重视。   ※风能   我国位于亚洲大陆东南、濒临太平洋西岸,季风是非常强盛的。全国风力资源的总储量为每年16亿兆瓦,近期可开发的约为16亿兆瓦,青海、甘肃、黑龙江和内蒙古等省的风能储量位于我国的前列。   ※风能风能就是空气流动所产生的一种动能。不同的风力所产生的能量是不一样的。大风所具有的能量是很大的。风速9米/秒~10米/秒的5级风,吹到物体表面上的力,每平方米面积上约有10千克。风速20米/秒的9级风,吹到物体表面上的力,每平方米面积可达50千克左右。台风的风速可达50米/秒~60米/秒,它对每平方米物体表面上的压力,竟可高达200千克以上。波涛汹涌的海浪,是被风激起的,它对海岸的冲击力是相当大的,有时可达每平方米20吨~30吨的压力,在最大的时候甚至可达到每平方米60吨左右的压力。   不仅风的能量非常大,而且在自然界中它所起到的作用也是非常大的。它可使山岩发生侵蚀,造成沙漠,形成风海流,在地面上,它还可以作输送水分的工作,水汽主要是由强大的空气流输送的,从而使气候受到一定的影响,造成雨季和旱季。据一些专家们估计,风中含有的能量,比人类迄今为止所能控制的能量还要高很多。全世界每年燃烧煤炭得到的能量,还不到风力在同一时间内所提供给我们的能量的1%。由此可见,地球上最重要的能源之一——风能,对人类的影响是非常大的。   如果对风能进行合理地利用,不仅可以减少环境污染,又可减轻越来越大的能源短缺的压力。而自然界中的风能资源又是极其巨大的。   ※风能   知识库   风能是因空气流做功而提供给人类的一种可利用的能量。空气流具有的动能称风能。空气流速越高,动能越大。人们可以用风车把风的动能转化为旋转的动作去推动发电机,以产生电力,风能方法是透过传动轴,将转子(由以空气动力推动的扇叶组成)的旋转动力传送至发电机。到2008年为止,全世界以风力产生的电力约有94.1百万千瓦,供应的电力已超过全世界用量的1%。风能虽然对大多数国家而言还不是主要能源,但在1999年到2005年之间已经增长了4倍以上。现代利用涡轮叶片将气流的机械能转为电能而成为发电机。   1.风是怎么形成的呢?   2.风能来自哪里呢?   3.我们该怎样利用风能呢?   风能的优点和缺点   ※风能的优点◎风能的优点   一是风能是永不枯竭的,资源非常丰富,其总能量大大超过地球上的水流能量,也大于液体和固体燃料能量的总和。据计算,全世界每年燃烧煤所获得的能量,只有风力在一年之内提供能量的1/3;国际气象组织(WMO)提出,全球风的储量为3×109兆瓦,其中可利用的风能总量为2×107兆瓦,所以作为一种环保和清洁的动力,风力发电正成为世界各国竞相发展的新兴能源。目前,欧洲的风电装机容量已相当于25座核电站的发电量,全球风电总装机容量年增长率更是达到30%。   二是成本相对低廉。风力发电的能源主要是取自天然的风能,资源丰富,循环使用,取之不尽,使发电成本大大降低。它既可以在庭院、荒野、海岛、草原安装;也可以在房顶、船头安装,不占用耕地农田;其装拆、搬运、维护、保养和操作、使用都很简单,从而降低了费用。因此,风力发电机发电成本低廉,竞争力是很大的。   ※风能的优点三是技术相对成熟。现在,风力发电已受到国际社会的高度重视,且投入了大量人力、物力进行研发,其中有很多的大型跨国公司也进行了参与。上世纪80年代中期在美国以及90年代初在欧洲一些国家,建立了比较全面的支持可再生能源的政策,取得了一定的进展。在2006年,约有4800兆瓦风机(新增)安装在欧洲,占全球647%。近年来,在发展中国家,印度的风力发电是非常迅速的,2006年以6270兆瓦的总装机容量居全球第四。随着风力发电迅猛发展,各项技术也在不断地成熟。无论是风机制造技术、风光互补发电系统,还是风电入网技术和大、中、小风电系列产品,都在日趋完善,小的如35千瓦风力发电机可用于家庭;大的风电机组已达到2~3兆瓦,最先进的单机容量已达到5~7兆瓦。风电可以满足不同客户的需求,不但经济实惠,而且可靠安全。   四是清洁无污染。风力发电在整个发电、供电过程中对环境是没有污染的,是一种绿色能源、清洁能源。不仅如此,而且也是一道亮丽的风景。风力发电机排列如阵,叶轮凌空旋转,茫茫的草原就多了一些点缀,碧海的蓝天就又多了一些生气,为环境增添了不少光彩。   ※中国的风能   ◎风能的缺点   ※风能的缺点   在生态问题上,风力发电可能会对鸟类产生一定的影响,如美国堪萨斯州的松鸡在风车出现之后已渐渐消失。目前对其的解决方案是离岸发电,离岸发电价格比较高但效率也是比较高的。   在一些地区、风力发电的经济性不足,在很多地区风力存在间歇性,还有一些情况是更糟糕的,如台湾等地在电力需求较高的夏季和白天,风力是比较少的,必须等待压缩空气等储能技术的发展。   风力发电要产生比较多的能源,就需要大量的土地来兴建风力发电场。   在进行风力发电时,风力发电机会发出庞大的噪音,所以要找一些空旷的地方来兴建。   现在的风力发电还未成熟,还有相当大的发展空间。   ◎风的影响   ※风能的利用   农业生产的环境因子之一就是风。适度的风速对农田环境条件的改善起着很重要的作用。近地层热量交换、农田蒸散和空气中的二氧化碳、氧气等输送过程随着风速的增大而加快或加强。风可以对植物的花粉和种子进行传播,帮助植物授粉和繁殖。风能是一种分布广泛、用之不竭的能源。我国的季风比较盛行,对农作物的生长比较有利。在内蒙古高原、东北高原、东南沿海以及内陆高山,都具有丰富的风能资源可作为能源开发利用。   同时,风也会对农业造成一定的影响。它能传播病原体,蔓延植物病害。大风可以使叶片机械擦伤、作物倒伏、树木断折、落花落果而影响产量。大风还造成土壤风蚀、沙丘移动,而毁坏农田。在干旱地区盲目垦荒,风将导致土地沙漠化。高空风是粘虫、稻飞虱、稻纵卷叶螟、飞蝗等害虫长距离迁飞的气象条件。牧区的大风和暴风雪可吹散畜群,使冻害加重。地方性风的某些特殊性质,也常会造成一定的风害。由海上吹来含盐分较多的海潮风,高温低温的焚风和干热风,对果树的开花、结果和谷类作物的灌浆都会产生严重的影响。防御风害,大多采用的是培育矮化、抗倒伏、耐摩擦的抗风品种。营造防风林,设置风障等更是有效的防风方法。   知识库   由于风能及风力发电具有上述特点和优势,所以风能在可再生能源战略中具有突出的地位和作用,备受推崇。预计2020年以后,随着化石燃料资源的减少,风电将更具市场竞争力。2030年以后,随着水能资源大部分被开发,风电将被大规模利用而成为世界可再生能源的新宠。   我国幅员辽阔,海岸线长,风能资源比较丰富。根据全国900多个陆地上气象站离地10米的高度资料估算,我国陆地上离地10米高度层上的风能资源总储量约32.26亿千瓦,居世界第一位。其中可开发和利用的陆地上风能总储量为2.53亿千瓦;近海可开发和利用的风能储量达7.5亿千瓦,合计约为10亿千瓦,大于我国的水能资源储量,是印度的30倍、德国的5倍。在可再生能源政策的指引下,风能必将成为我国未来能源结构中的重要成员。   1.利用风能能够产生什么灾害呢?   2.风能有什么优点呢?   3.风能资源是再生资源吗?   风能的能量   地球所吸收的太阳能有1%到3%转化为了风能,总量相当于地球上所有植物通过光合作用吸收太阳能转化为化学能的50到100倍。到了高空就会发现风的能量,在高空,有时速超过160公里的强风。这些风的能量最后会因和地表及大气间的摩擦力而以不同的热能方式进行释放。   风的成因:因太阳照射极地和赤道的不均匀使得地表受热也不均匀;地表温的速度与海面相比,要快一些;大气中同温层如同天花板的效应加速了气体的对流;季节的变化;科氏效应;月亮的反射比率,形成了风。   指定质量的动能与其速率之平方成正比。因为质流与风速呈线性增加,对风轮有效用的风能将会与风速的立方成正比。   ※风的能量   知识库   安装良好的风力发电机,其容量因子可达35%,跟一般使用燃料的发电厂的涡轮机相比,标示1000千瓦的风力发电机,每年可发的电量最多到350千瓦,短时间的输出功率是难以预测,但每年发电量的变化应该几个百分比之内。   因为是风涡轮来提取能量的,使空气减速,导致它对传播并且在风涡轮附近在某种程度上牵制它。德国物理学家,阿尔伯特Betz,1919年确定风涡轮可能提取至多将否则流经涡轮的横断面的59%能量。不管涡轮的设计,Betz极限申请。最近的工作在一个理论极限大约30%旁边为推进器类型turbines。实际效率从1%范围到20%为推进器类型涡轮,并且是一样高像35%为三维垂直轴涡轮像Darrieus或Gorlov涡轮。2002年在李大农场设施在科罗拉多   有风变化,并且平均值为一个被测量的地点单独不表明风涡轮可能导致那里的相当数量能量。要估计风速风土学在一个特殊地点,概率分布作用经常适合到被观察的数据。不同地点将有不同的风速发行。最频繁用于的发行模型塑造风速风土学是二参量Weibulldistribution因为它能依照各种各样的发行形状,从高斯到指数。Rayleigh塑造,例子,其中被密谋在右边反对实际被测量的数据集,是形状参量合计2Weibull作用的一个具体形式和非常严密反映每小时风速的实际发行在许多地点。由于有很多的电能是由高风速所产生的,可用的能量也大多是来自瞬间大的风速。大部分可用的能量,却只占运作时间的15%,所以是没有办法像使用燃料的火力发电厂那样,可以依照用电需求来调整发电量。由于风速并不是一个常数,风力发电整年的发电量不是标示的发电率乘上所有的运转时间(一年内)。容量因子就是实际产生的值与理论值(最大值)。   通过风车可以来提取风能。当风吹动风轮时,风力会带动风轮绕轴旋转,使得风能转化为机械能。而风能转化量直接与空气密度、风轮扫过的面积和风速的平方成正比。空气的质流穿越风轮扫过的面积,随着风速以及空气的密度而变化。举个例子来说,在15°C(59°F)的凉爽日子里,海平面空气密度为每立方米1.22公斤(当湿度增加时空气密度会降低)。当风以秒速8米吹过直径100米的转轮时,每秒能够使10亿公斤的空气穿越风轮扫过的面积。   知识库·风机工作状态之间转变·   1.工作状态层次上升   紧停→停机   如果停机状态的条件满足,则:   1)关闭紧停电路;   2)建立液压工作压力;   3)松开机械刹车。   停机→暂停   如果暂停的条件满足,则,   1)起动偏航系统;   2)对变桨距风力发电机组,接通变桨距系统压力阀。   暂停→运行   如果运行的条件满足,则:   1)核对风力发电机组是否处于上风向;   2)叶尖阻尼板回收或变桨距系统投入工作;   3)根据所测转速,发电机是否可以切入电网。   2.工作状态层次下降   工作状态层次下降包括3种情况:   (1)紧急停机。紧急停机也包含了3种情况,即:停止→紧停;暂停→紧停;运行→紧停。其主要控制指令为:   1)打开紧停电路;   2)置所有输出信号于无效;   3)机械刹车作用;   4)逻辑电路复位。   (2)停机。停机操作包含了两种情况,即:暂停→停机;运行→停机。   暂停→停机   1)停止自动调向;   2)打开气动刹车或变桨距机构回油阀(使失压)。   运行→停机   1)变桨距系统停止自动调节;   2)打开气动刹车或变桨距机构回油阀(使失压);   3)发电机脱网。   (3)暂停。   1)如果发电机并网,调节功率降到。后通过晶闸管切出发电机;   2)如果发电机没有并入电网,则降低风轮转速至0。   3.故障处理   工作状态转换过程实际上还包含着一个重要的内容:当故障发生时,风力发电机组将自动地从较高的工作状态转换到较低的工作状态。故障处理实际上是针对风力发电机组从某一工作状态转换到较低的状态层次可能产生的问题,因此检测的范围是限定的。   为了便于介绍安全措施和对发生的每个故障类型处理,我们给每个故障定义如下信息:   1)故障名称;   2)故障被检测的描述;   3)当故障存在或没有恢复时工作状态层次;   4)故障复位情况(能自动或手动复位,在机上或远程控制复位)。   (1)故障检测。控制系统设在顶部和地面的处理器都能够扫描传感器信号以检测故障,故障由故障处理器分类,每次只能有一个故障通过,只有能够引起机组从较高工作状态转入较低工作状态的故障才能通过。   (2)故障记录。故障处理器将故障存储在运行记录表和报警表中。   (3)对故障的反应。对故障的反应应是以下3种情况之一:   1)降为暂停状态;   2)降为停机状态;   3)降为紧急停机状态。   (4)故障处理后的重新起动。在故障已被接受之前,工作状态层不可能任意上升。故障被接受的方式如下:   如果外部条件良好,一此外部原因引起的故障状态可能自动复位。一般故障可以通过远程控制复位,如果操作者发现该故障可接受并允许起动风力发电机组,他可以复位故障。有些故障是致命的,不允许自动复位或远程控制复位,必须有工作人员到机组工作现场检查,这些故障必须在风力发电机组内的控制面板上得到复位。故障状态被自动复位后10分钟将自动重新起动。但一天发生次数应有限定,并记录显示在控制面板上。   如果控制器出错可通过自检(WATCHDOG)重新起动。   1.风能有什么能量呢?   2.怎样利用风能发电呢?   3.风能发电的原理是什么呢?   风能的基本特征   ※风能每个地方每年刮风的时间长短和风的强度如何,影响着各地风能资源的多少。在弄清这个问题之前,要涉及到一些关于风能的基本知识,了解风的某些特性,例如风速、风级、风能密度等。我们常常用风的速度来衡量风的大小,所谓的风速就是指单位时间内空气在水平方向上所移动的距离。专门测量风速的仪器有旋转式风速计、散热式风速计和声学风速计等。它主要是计算在单位时间内风的行程,常以米/秒、千米/时、英里/时等来表示。因为风具有不恒定性,所以风速也是经常变化的,甚至是瞬息万变。风速是风速仪在一个极短时间内测到的瞬时风速。若在指定的一段时间内测得多次瞬时风速,将它平均计算起来,就得到平均风速。例如日平均风速、月平均风速或年平均风速等。当然,如果设置风速仪的高度不同,则得到的风速结果也是不相同的,它是随着高度的升高而增强的。通常测风的高度为10米。根据风的气候特点,一般选取10年风速资料中年平均风速最大、最小和中间的三个年份为代表年份,分别计算该三个年份的风功率密度然后加以平均,其结果可以作为当地常年平均值。风速的量的随机性是非常大的,必须通过一定长度时间的观测计算出平均风功率密度。对于风能的转换装置来说,可利用的风能是在“启动风速”到“停机风速”之间的风速段,这个范围的风能也就是“有效风能”,该风速范围内的平均风功率密度称为“有效风功率密度”。   所谓的风级就是指根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象。风力的大小是按风力的强度等级来估计的。   风能密度指的是空气在1秒内以速度为V流过单位面积产生的动能。   知识库   早在1805年,英国人蒲褐(FrancisBeaufort,1774~1859年)就拟定了风速的等级,国际上称为“蒲褐风级”。自1946年以来,风力等级又做了一些修定,由13个等级改为18个等级,实际上应用的还是0~12级的风速,所以最大的风速人们常说刮12级台风。   1.你知道风能的类型有哪些吗?   2.风能的级别有哪些?   3.大风车和风能之间有什么关系?

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