新能源

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新能源技术与应用 10832 1008030223 李炳权 应用化学

风能利用的现状及展

1．世界能源危机

自古以来,人类就为改善自身的生存条件、促进社会经济的发展而不停的奋斗。在这一过程中,能源一直扮演着及其重要的角色。从世界社会经济发展的历史和现状来看,能源问题已经成为社会经济发展中一个具有战略意义的问题。能源的消耗水平,已经成为衡量一个国家国民经济发展和人民生活水平的重要标志。随着现代社会生产力的发展和人民生活水平的提高。商品能源消耗的增长速度大大超过了人口增长的速度。1975年,世界人口比1925年增加了一倍,世界商品能源的总消耗量增长了4.5倍,而且这种增长仍然呈现上升趋势。能源问题对社会经济的发展起着决定作用,上世纪50年代至70年代,由于中东廉价石油的大量供应,导致整个资本主义世界经济的飞速发展。而1973年中东战争爆发以后,由于中东各国限制了石油产量,提高了石油价格,带来了资本主义世界长时间的经济危机。争夺能源,成了持续八年之久的两伊冲突及1991年春天震惊世界的海湾战争等一系列国际争端的导火索。 2. 风力发电的特点和优势 2.1 风力发电的基本特点

1) 风能的随机性大

风能是太阳能的变异,风速随大气的温度、气压等因素的不同有着较大的变化,是随机和不可控的,这样作用在风机叶片上的风能也是随机和不可控的,进而发电机的输入机械功率也存在一定的不可控性。

2) 风轮机转动惯量大

由于风轮直径大,巨大的风轮转子叶片使得风轮机具有较大的转动惯量。 3) 风能密度低

由于空气的密度低,要获得比较大的功率,风轮的直径要做得很大,风轮装置庞大。

4) 风轮机与发电机之间的柔性连接

风轮机转子的转速一般不会很高,与发电机转动的速度相差比较大,它们之间不可能直接连接,必须通过一定变比升速齿轮箱进行传动,这样发电机和风轮机之间的刚性度大大降低,也就是说发电机和风轮机之间是柔性连接的。

5) 风力发电机的选用

目前国内的风力发电系统采用异步发电机直接并网的方式,风速的变化将引

起风力发电机注入电网有功和无功功率的变化,从而引起附近电网母线电压的波动,为了克服这一缺点且随着电力电子技术的发展,风电系统可以采用交流励磁发电机,使风力发电系统具有较好的动态和静态特性。 2.3 风力发电的优势

风力发电具有其它能源不可取代的优势和竞争力。我国可用于风力发电的总潜力高达2.5亿kW,这是一种用之不竭的动力。风力发电的优越性可归纳为以下几点:

1) 建造风力发电场的费用低廉,比水电站、火力发电厂或核电站的建造费用低得多;

2) 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;

3) 风力是一种洁净的自然能源,没有其它发电方式所伴生的环境污染问题。 4) 风力发电和其他发电方式相比,它的建设周期一般很短(1台风机的安装时间不超过3个月),一个50万kW级风力发电场建设期不到1年,而且安装1台投产1台,装机规模灵活,可根据资金多少来确定,为筹集资金带来便利。

5) 风力发电运行简单,可完全做到无人值守。

6) 风力发电实际占地少,机组与监控、变电等建筑仅占风力发电场约7%的土地,其余场地仍可供其他产业使用。对地形要求低,在山丘、海边、河堤、荒漠等地均可建设。此外,在发电方式上还有多样化的特点,既可联网运行、独立运行,也可和柴油发电机互补系统运行,这对于解决边远无电地区的用电问题提供了现实可能性。

3. 国外风力发电概况及其趋势 3.1 装机容量和发电量不断增加

自十九世纪末丹麦建成全球第一个风力发电装置以来,世界风电装机容量迅猛增长,1981年为15 MW,1992年已经达到2 652 MW,截止到2006年,全球风力发电机容量达50 000 MW,其总量相当于47座标准核电站,风电已经是商业化的产业,有能力成为主流电源之一。2002年欧洲风能协会和绿色和平组织发表了一份标题为/风力120(wind force12)可行性论证报告,论证了风电在2020到世界电量的12%技术上是可行的,届时全世界风电装机将达到12.6亿kW,与此同时,提供1,700万个就业机会。风电机组单机容量持续增大,技术方面,近几年来也有很大发展。风电机组单机容量越来越大,MW级的市场份额明显增大,1997年以前还不到

10%,2002年已经达到世界新增风电装机容量的19%,当年兆瓦级风电机组平均单机容量为1 616 kW。

3.2 风电开发由陆基向海基发展

由于陆地土地资源宝贵,并且通常风力资源地处偏僻地区,这使风电传输成本增高。近年来由于沿海近岸良好的风力资源环境,海上风力发电系统的设计开发有了很大发展,欧洲未来风力发电增长的很大部分将来源于海上,美国能源部也制定了风力资源深海发展战略,将海上油气开发技术经验与近岸浅水(0~30 m)风能开发技术相结合,开展深海(50~200 m)风能开发研究。海上风力资源的开发已经成为欧美关注的焦点。到20世纪末MW级风电机组达到商品化,可以为海上风电场提供所需要的大型机组,并开始研制专门用于海上的3 MW和5 MW机组,2002年新建成Homrev海上风场装机容量为160000 kW,标志着大规模的商业化海上风电 场/起飞0。目前,已有丹麦、荷兰、瑞典、英国和爱尔兰等5个国家的共16个海上风电场在运行,装机数330台,总装机容量710 MW。各国出台鼓励风电发展的优惠政策促进风电发展。

世界各国根据本国的条件制定政策措施,激励政策的效果不尽相同,但也有共同的特点,表现在通过立法确定目标、上网电价与其他投资选择相比要有吸引力、项目时间能够使投资得到回报、电网必须收购可再生能源电量、减少和停止对化石能源及核能的补贴等。 4. 我国发展风能的优势和现状 4.1 我国开发风能所蕴藏的优势

我国位于亚欧大陆的东部,濒临世界最大的大洋—太平洋,强烈的海陆差异,在我国形成世界上最大的季风区,加上辽阔的国土面积,复杂的地形,从而形成我国丰富的风能资源,从理论上讲,我国风能总量可达32 126亿kW。假设理论开发总量为R,实际可开发总量Rc为理论总量的10%计算,并考虑到风轮实际扫掠面积为计算气流正方形面积的0.1785倍(1米直径风轮面积为0.152@P=0.1785 m2)。则实际可开发总量达Rc=0.1785R/10=2153亿kW。特别是我国北方地区,天山、阴山、大兴安岭线的以北地区。风能资源尤为丰富,风能功率密度一般在200~300 W/m2以上,有的地方可达500 W/m2,甚至更高(如阿拉山口、达坂城、辉腾锡勒等地),可利用小时数在5000小时以上,有些地方可达7000小时。

根据中国气象科学研究院的初步研究成果,全国平均风功率密度为100 W/m2,我国陆地上离地10 m高度内风能资源总储量约32.6亿kW,其中,技术可开发风能