如何有效利用風能并做到風電的并網(wǎng)及消納

編者按：如果天不再藍、電不夠用，未來人類該如何選擇?為了解決全球能源緊張和環(huán)境污染問題，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，能夠減少對傳統(tǒng)能源的消耗和對環(huán)境的污染，使我們的生活更加健康、節(jié)能低碳。 風吹綠電來 ——如何有效利用風能 不必說文人墨客筆下“春風又綠江南岸”“柳絮池塘淡淡風”所呈現(xiàn)的充滿詩情畫意的風，單只講為人類傳遞信息的風箏、提供動力的風車和風帆，都是人類有效利用風的杰作。風能相對于傳統(tǒng)的化石能源，是一種清潔能源，利用風能的最好途徑就是將風能轉(zhuǎn)化為電能使用。本期，就和你講講風能的特點，以及人們是如何利用風能發(fā)電的。 1、風是如何形成的? 風的能量主要來自于太陽能，太陽的輻射給地球上的空氣加熱時，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，就形成了水平運動的風。 2、風按照強度分類，可以分為哪幾級? 你一定在天氣預報中聽到過類似這樣的說法，“渤海風力6~7級轉(zhuǎn)4~5級”。這里所說的“級”就是按照強度對風的分類，稱為“蒲福風力等級”。它把風按照風速分為從0~12共13個等級，數(shù)字越高，風速越快，風中所攜帶的能量越大。 為了方便記錄，人們還給這13個等級的風分別起了名字：0級為無風，1級為軟風，2級為輕風，3級為微風，4級為和風，5級為清風，6級為強風，7級為疾風，8級為大風，9級為烈風，10級為狂風，11級為暴風，12級為颶風。 3、風能的特點是什么? 我們來看看風能的特點：首先，風能的蘊量巨大。太陽輻射到地球的能量中，有2%轉(zhuǎn)化為風能，這可是一個非常龐大的數(shù)字。 地球上的風能約為27400億千瓦，其中可以利用的約200億千瓦，這個數(shù)量有多大呢?它是地球上可開發(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，還不到風能在同一時間內(nèi)提供給地球能量的1%。 風能最厲害的地方還不僅限于此。風能是可再生的，幾乎可以說是取之不盡、用之不竭的。另外，風能是清潔能源，現(xiàn)如今人們使用的風能利用技術(shù)不會造成空氣污染。 然而有效地利用風能可并不簡單，擺在人們面前的困難重重。 第一，風功率密度低，也就是說風能雖然大，但是很難集中利用。為什么說風能多，但不集中呢?如果我們利用化石能源，開采一個煤礦或者油田就行了;如果利用水能，在合適的地方修個水電站就可以了。風能四處皆是，很難把它們集中利用。因此需要選好風電場場址，形成規(guī)?；?。 第二，風能是不穩(wěn)定的，一陣風大，一陣風小，幾乎沒什么規(guī)律，讓人很難掌控。 第三，風能的分布很不均勻。要想利用好風能肯定需要很多技術(shù)手段。 4、我國的風能主要分布在哪些地區(qū)? 度量一個地方風能資源是否豐富，我們常用“風功率密度”這個概念，它的單位是“瓦/平方米”。 如果我們把風能資源的多少畫在中國地圖上，就會見到一個很有意思的畫面：西北、東北、華北、東南地區(qū)都是風能資源豐富的地方，中原地帶和西南、東南部分地區(qū)的風能資源貧乏。 我國風能資源總的技術(shù)可開發(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)是我國風能資源最豐富的地區(qū)，50米高度3級以上風能資源潛在開發(fā)量約18.5億千瓦，占全國陸上風能資源的77.7%。 5、人們是如何利用風能發(fā)電的? 風力發(fā)電的基本原理簡單來說，就是將風的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，再將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?具體來說，就是風吹過風車槳葉時在槳葉正反面形成壓差，驅(qū)動風輪旋轉(zhuǎn)，將風的動能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L輪的機械能。發(fā)電機在風輪的帶動下旋轉(zhuǎn)發(fā)電，將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。實現(xiàn)這一能量轉(zhuǎn)換的設備為風力發(fā)電機組。 風力發(fā)電機組的功率是衡量風力發(fā)電機組發(fā)電能力的指標，功率越大，則發(fā)電能力越強。風電機組在達到額定功率之前，其輸出功率和風速的立方成正比，因此風速是風能資源的關鍵因素。 但是，人們從風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：風能利用的歷史 人們很早就注意到風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)明了風帆，他們在船上安上風帆，借助風力使船航行。中國在明代之后，開始普遍使用風帆驅(qū)動水車灌田。 18世紀，荷蘭曾利用近萬座風車將海堤內(nèi)的水排干，成了著名的風車之國。這種風車在歐洲大陸很普遍，是機械能的主要來源?？墒呛髞?，蒸汽機、電動機等高效的新興機械產(chǎn)品出現(xiàn)了，古老的風車顯得又慢又笨，于是被紛紛棄之不用。 風能重新被規(guī)模利用，是1973年發(fā)生石油危機以后，美國、西歐的一些國家為尋求替代化石燃料的能源，利用計算機、空氣動力學和材料科學等領域的新技術(shù)研制出現(xiàn)代風力發(fā)電機組，加之人們越來越意識到常規(guī)化石能源對環(huán)境的污染，于是積極開發(fā)清潔、可再生的能源。風能作為一種很好的清潔能源，如今越來越受到人們的重視，并被大規(guī)模開發(fā)利用。 鏈接：我國風電的發(fā)展歷程 我國在20世紀50年代后期開始風力發(fā)電研究工作。1986年，中國最早的風電場——馬蘭風電場的3臺機組并網(wǎng)運行。 2006年1月1日，《中華人民共和國可再生能源法》正式實施，中國風力發(fā)電進入大規(guī)模發(fā)展階段，裝機規(guī)模持續(xù)迅猛增長。 2009年突破1000萬千瓦，2012年突破5000萬千瓦，取代美國成為世界第一風電裝機大國。 截至2015年2月底，我國并網(wǎng)風電裝機容量突破1億千瓦，達到10004萬千瓦，繼續(xù)穩(wěn)居我國第三大發(fā)電類型和世界風電裝機首位。我國已成為全球風電裝機增長速度最快、新增風電裝機容量最大的國家。 風吹綠電來 ——如何做到風電的并網(wǎng)及消納 上期科普版介紹了人們是如何有效利用風能的，本期再來和你講講風電建設者是如何為風電場選址的，風電并網(wǎng)對電網(wǎng)會產(chǎn)生哪些影響，以及如何確保風電的消納。 1、風電機組由哪些部分組成? 從外形看，風力發(fā)電機組由風輪、機艙、塔架組成。 風輪。風輪一般由2~3個槳葉裝在輪轂上組成，是風力發(fā)電機組接收風能的部件。我們平時看到那個像風車一樣的東西，其實就是槳葉，它就像水中劃船用的槳一樣，槳葉越大，從風中獲取的能量也就越多。目前，風電場的風力發(fā)電機組大多采用3個槳葉，其特點是運行平穩(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，又能滿足強度與剛度要求的復合材料，如碳纖維、竹纖維、高強度玻璃纖維。 機艙。機艙內(nèi)有齒輪箱、發(fā)電機、控制系統(tǒng)等關鍵設備，負責將風輪的動能轉(zhuǎn)換成電能。 塔架。風力發(fā)電機組需要通過塔架將其置于空中，以獲取更多的風能。塔架內(nèi)通常裝有梯子，以便工作人員沿梯子進入塔架頂端的機艙進行檢修操作。 2、風電場如何選址? 選擇風電場的場址，是對一個較大區(qū)域的風能、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，選擇一個風能資源豐富、最有利用價值的小區(qū)域的過程。要綜合考慮以下幾個方面的因素： (1)風能的質(zhì)量。風能的質(zhì)量不僅包括風能的多少，即年平均風速高、風功率密度大、可利用小時數(shù)等，還包括風的一些特性，如風向基本穩(wěn)定、風速變化小等。 (2)氣象條件。在與風打交道時，氣象條件尤為重要。勘測一處風電場，要了解這個地方的溫度、濕度、氣壓等氣象學信息。此外，風電場一定要盡量避開那些氣象災害頻發(fā)的地區(qū)。這些氣象災害包括強臺風、龍卷風、雷電、沙暴、覆冰、鹽霧等。 (3)地理條件。風力發(fā)電機組的隊列要講究按地形“排兵布陣”，風電場的選址也需要結(jié)合大量地理因素。首先要注意地形和地表植被。此外，建設風電場也需要盡量避開地質(zhì)災害較多的地方，比如地震帶、火山頻發(fā)的地域。 (4)其他因素。除了“天時地利”，建設風電場還需要充分考慮到“人和”的因素。選擇靠近電網(wǎng)的區(qū)域建設風電場可以有效降低成本，也減少了電能損耗。風電場應遠離人口稠密的地方，以避免風力發(fā)電機組噪聲、風力發(fā)電機組損壞時的易發(fā)危險給人們帶來的影響。風電場的選擇還需要考慮盡量少破壞地表植被，盡量不侵占野生動物的巢穴區(qū)，并盡量避開鳥類的飛行路線。 3、風電場的發(fā)電機組是如何排布的? 通過對地形和風能的研究，人們?yōu)轱L力發(fā)電機組編排了各種隊形。風力發(fā)電機組排布時，通常呈“梅花陣”排列。“梅花陣”是針對比較平坦、風向相對單一地區(qū)設計的陣列，它的整體形態(tài)為矩陣式分布，各排之間相互平行，但每兩排間是相互錯位的。這樣做是為了減小風力發(fā)電機組之間的尾流干擾。“田字陣”和“圓形陣”都是為應對多個風向并存的情況設計的。 4、風電并入電網(wǎng)，對電網(wǎng)有何影響? 風是一種自然現(xiàn)象，風速與風向會隨機不斷變化，以致造成風電的頻率、電壓不穩(wěn)定。而風電場大都采用了并網(wǎng)發(fā)電的模式，也就是將風電并入一個電網(wǎng)。如果一個電網(wǎng)中的風電比重過大，那么提供的電能質(zhì)量就會受到影響，這樣會使我們家庭使用的電壓不穩(wěn)定，以致燈泡一會兒亮，一會兒暗，或?qū)е乱恍╇娖鳠o法正常工作，嚴重時會導致整個電網(wǎng)癱瘓。因此，現(xiàn)在科研人員都在研究如何將風電變得更穩(wěn)定。 5、如何確保風電的消納? 近年來，我國風力發(fā)電進入了大規(guī)模發(fā)展階段。風電高速發(fā)展也帶來了并網(wǎng)和消納難題。那么，如何確保風電的消納呢?專家建議，要統(tǒng)一協(xié)調(diào)各種類型的電源規(guī)劃，在風電場建成之前就規(guī)劃好如何并網(wǎng)、如何消納;電網(wǎng)建設應該走在風電開發(fā)之前，加快風電送出工程建設，提高風電外送能力;還要注重加強風電優(yōu)先調(diào)度，挖掘系統(tǒng)調(diào)峰能力;每年冬季供暖期，優(yōu)化風電配套線路檢修計劃，優(yōu)化供熱機組調(diào)度，努力增加風電消納空間。此外，還要加快建設以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅強智能電網(wǎng)，加大風電消納范圍和外送力度，實施風光水火電打捆外送，在全國范圍優(yōu)化配置和消納。 6、為何要開展大規(guī)模海上風力發(fā)電? 眾所周知，海面上的風能資源比陸地上豐富，海上很少有靜風期，能更有效地利用風力發(fā)電機組的發(fā)電容量。海上的風速隨高度的變化小，不需要很高的塔架。而且，海上沒有復雜的地形對氣流的影響，因此減小了風對風力發(fā)電機組的疲勞損耗，可延長其使用壽命。另外，海上風電不占用寶貴的陸地資源，且適合安裝大型機組。目前，很多國家都在發(fā)展大規(guī)模海上風電場，海上風力發(fā)電已成為風電的發(fā)展趨勢。我國有漫長的海岸線，有著豐富的海上風能資源。國家能源局2010年指出，要大力推進海上風力發(fā)電基地建設。