風能

風能

風能(wind energy):地球表面大量空氣流動所產生的動能。由于地面各處受太陽輻照後氣溫變化不同和空氣中水蒸氣的含量不同,因而引起各地氣壓的差異,在水準方向高壓空氣向低壓地區流動,即形成風。風能資源決定于風能密度和可利用的風能年累積小時數。風能密度是單位迎風面積可獲得的風的功率,與風速的三次方和空氣密度成正比關系。

  • 中文名稱
    風能
  • 外文名稱
    wind energy
  • 分類
    一次能源
  • 產生能源
    機械能

概述

風能(wind energy)是因空氣流做功而提供給人類的一種可利用的能量。空氣流具有的動能稱風能。空氣流速越高,動能越大。人們可以用風車把風的動能轉化為旋轉的動作去推動發電機,以產生電力,方法是透過傳動軸,將轉子(由以空氣動力推動的扇葉組成)的旋轉動力傳送至發電機。

風能

到2008年為止,全世界以風力產生的電力約有 94.1 百萬千瓦,供應的電力已超過全世界用量的1%。風能雖然對大多數國家而言還不是主要的能源,但在1999年到2005年之間已經成長了四倍以上。

現代利用渦輪葉片將氣流的機械能轉為電能而成為發電機。在中古與古代則利用風車將蒐集到的機械能用來磨碎谷物或抽水。

風力被使用在大規模風農場為全國電子柵格並且在小各自的渦輪為提供電在被隔絕的地點。

歷史文化

人類利用風能的歷史可以追溯到公元前,但數千年來,風能技術發展緩慢,沒有引起人們足夠的重視。但自1973年世界石油危機以來,在常規能源告急和全球生態環境惡化的雙重壓力下,風能作為新能源的一部分才重新有了長足的發展。風能作為一種無污染和可再生的新能源有著巨大的發展潛力,特別是對沿海島嶼,交通不便的邊遠山區,地廣人稀的草原牧場,以及遠離電網和近期內電網還難以達到的農村、邊疆,作為解決生產和生活能源的一種可靠途徑,有著十分重要的意義。即使在發達國家,風能作為一種高效清潔的新能源也日益受到重視,比如:美國能源部就曾經調查過,單是德克薩斯州和南達科他州兩州的風能密度就足以供應全美國的用電量

風是地球上的一種自然現象,它是由太陽輻射熱引起的。太陽照射到地球表面,地球表面各處受熱不同,產生溫差,從而引起大氣的對流運動形成風。風能就是空氣的動能,風能的大小決定于風速和空氣的密度。據估計到達地球的太陽能中雖然隻有大約2%轉化為風能,但其總量仍是十分可觀的。全球的風能約為2.74X109MW,其中可利用的風能為2X107MW,比地球上可開發利用的水能總量還要大10倍。空氣流動所形成的動能及為風能。風能是太陽能的一種轉化形式。太陽的輻射造成地球表面受熱不均,引起大氣層中壓力分布不均,空氣沿水準方向運動形風。風的形成乃是空氣流動的結果。

美國早在1974年就開始實行聯邦風能計畫。其內容主要是:評估國家的風能資源;研究風能開發中的社會和環境問題;改進風力機的性能,降低造價;主要研究為農業和其他使用者用的小于100kw的風力機;為電力公司及工業使用者設計的兆瓦級的風力發電機組。美國已于80年代成功地開發了100、200、2000、

2500、6200、7200kw的6種風力機組。目前美國已成為世界上風力機裝機容量最多的國家,超過2X104MW,每年還以10%的速度成長。

風能

現在世界上最大的新型風力發電機組已在夏威夷島建成運行,其風力機葉片直徑為97.5m,重144t,風輪迎風角的調整和機組的運行都由電腦控製,年發電量達1000萬kw·h。根據美國能源部的統計至1990年美國風力發電已佔總發 電量的1%。 在瑞典、荷蘭英國、丹麥、德國、日本、西班牙,也根據各自國家的情況製定了相應的風力發電計畫。如瑞典1990年風力機的裝機容量已達350MW,年發電10億kw·h。

丹麥在1978年即建成了日德蘭風力發電站,裝機容量2000kw,三片風葉的掃掠直徑為54m,混凝土塔高58m,預計到2005年電力需求量的10%將來源于風能。德國1980年就在易北河口建成了一座風 力電站,裝機容量為3000kw,到本世紀末風力發電也將佔總發電量的8%。英國,英倫三島瀕臨海洋,風能十分豐富,政府對風能開發也十分重視,到1990年風力發電已佔英國總發電量的2%。

在日本, 1991年10月輕津海峽青森縣的日本最大的風力發電站投人運行,5台風力發電機可為700戶家庭提供電力。中國位于亞洲大陸東南、瀕臨太平洋西岸,季風強盛。季風是中國氣候的基本特征,如冬季季風在華北長達6個月,東北長達7個月。東南季風則遍及中國的東半壁。根據國家氣象局估計,全國風力資源的總儲量為每年16億kw,近期可開發的約為1.6億kw,內蒙古、青海、黑龍江、甘肅等省風能儲量居中國前列,年平均風速大于3m/s的天數在200天以上。

中國風力機的發展,在50年代末是各種木結構的布篷式風車,1959年僅江蘇省就有木風車20多萬台。到60年代中期主要是發展風力提水機。70年代中期以後風能開發利用列入“六五”國家重點項目,得到迅速發展。進入80年代中期以後,中國先後從丹麥、比利時、瑞典、美國、德國引進一批中、大型風力發電機組。在新疆、內蒙古的風口及山東、浙江、福建、廣東的島嶼建立了8座示範性風力發電場。1992年裝機容量已達8MW。新疆達坂城的風力發電場裝機容量已達3300kw,是全國目前最大的風力發電場。至1990年底全國風力提水的灌溉面積已達2.58萬畝。1997年新增風力發電10萬kw。目前中國已研製出100多種不同型式、不同容量的風力發電機組,並初步形成了風力機產業。盡管如此,與發達國家相比,中國風能的開發利用還相當落後,不但發展速度緩慢而且技術落後,遠沒有形成規模。在進入21世紀時,中國應在風能的開發利用上加大投入力度,使高效清潔的風能能在中國能源的格局中佔有應有的地。

政治經濟

利用風來產生電力所需的成本已經降低許多,即使不含其他外在的成本,在許多適當地點使用風力發電的成本已低于燃油的內然機發電了。風力發電年增率在2002 年時約25%,現在則是以38%的比例快速成長。2003年美國的風力發電成長就超過了所有發電機的平均成長率。自2004 年起,風力發電更成為在所有新式能源中已是最便宜的了。在2005 年風力能源的成本已降到1990年代時的五分之一,而且隨著大瓦數發電機的使用,下降趨勢還會持續。

西班牙

位于西班牙東北方Aragon的La Muela,總面積為143.5平方公裏。1980年起,新任市長看好充沛的東北風資源而極力推動風力發電。近20年來,已陸續建造450座風機(額定容量為237MW),為地方帶來豐富的利益。當地政府並借此規劃完善的市鎮福利,吸引了許多人移居至此,短短5年內,居民已由4,000人增加到12,000人。La Muela已由不知名的荒野小鎮變成眾所皆知的觀光休閒好去處。

法國

法國西北方的Bouin原本以臨海所產之蚵及海鹽著名,2004年7月1日起,8座風力發電機組正式運轉,這8座風機與蚵、海鹽三項,同時成為此鎮之觀光特色,吸引大批遊客從各地涌進參觀,帶來豐沛的觀光收入。

台灣

台灣的苗傈縣後龍鎮好望角因位處濱海山丘製高點,早年就是眺望台灣海峽的好去處,近幾年外商在鄰近區域,設定了21座高100米的風力發電機,形成美不勝收的景致。該公司在2003年,看中苗傈沿海冬天強勁東北季風,著手在後龍、竹南等地設立風力發電機,其中後龍成立了大鵬風力發電場,建置21座風機,發電總裝置容量達4.2萬瓩,是目前全台容量最大的風場,2006年6月竣工啓用後,儼然成為觀光新景點,吸引不少人前往探訪。好望角位在半天寮頂端居高臨下,向北可看到4、5座風機,往南也可望見3、4座風機,加上海線鐵路從山下行經,面臨寬闊的台灣海峽,風景相當引人入勝,也成為欣賞風力發電機最佳景點之一。

風能

主要技術

①水準軸風電機組技術。因為水準軸風電機組具有風能轉換效率高、轉軸較短在大型風電機組上更突顯了經濟性等優點,使它成為世界風電發展的主流機型,並佔有95%以上的市場份額。同期發展的垂直軸風電機組,因為轉軸過長、風能轉換效率不高,啓動、停機和變槳困難等問題,目前市場份額很小、套用數量有限,但由于它的全風向對風和變速裝置及發電機可以置于風輪下方(或地面)等優點,近年來,國際上的相關研究和開發也在不斷進行並取得一定進展。

②風電機組單機容量持續增大,利用效率不斷提高。近年來,世界風電市場上風電機組的單機容量持續增大,世界主流機型已經從2000年的500~1000千瓦增加到2004年的2~3兆瓦,目前世界上運行的最大風電機組單機容量為5兆瓦,並已開始10兆瓦級風機的設計與研發。

③海上風電技術成為發展方向。目前建設海上風電場的造價是陸地風電場的1.7~2倍,而發電量則是路上風電場的1.4倍,所以其經濟性仍不如陸地風電場,隨著技術的不斷發展,海上風電的成本會不斷降低,其經濟性也會逐漸凸顯。

④變槳變速、功率調節結束得到廣泛採用。由于變槳距功率調節方式具有載荷控製平穩、安全和高效等優點,今年來在大型風電機組上得到了廣泛採用。

⑤直驅式、全功率變流技術得到迅速發展。無齒輪箱的直取方式能有效地減少由于齒輪箱問題而造成的機組故障,可有效提高系統的運行可靠性和壽命,減少維護成本,因而得到了市場的青睞,市場份額不斷擴大。

⑥新型垂直軸風力發電機。它採取了完全不同的設計理念,並採用了新型結構和材料,達到微風啓動、無噪聲、抗12級以上台風、不受風向影響等優良性能,可以大量用于別墅、多層及高層建築、路燈等中小型套用場合。以它為主建立的風光互補發電系統,具有電力輸出穩定、經濟性高、對環境影響小等優點,也解決了太陽能發展中對電網的沖擊等影響。

各國鼓勵政策

風力發電自80年代開始受到歐美各國重視以來,至今全球風電發電量以每年30%的驚人速度快速成長。世界各國的再生能源推動製度,主要可分為:

固定電價系統(fixed-price systems):由政府製訂再生能源優惠收購電價,由市場決定數量。其主要之方式包括:

1.設備補助(investment subsidies):丹麥、德國及西班牙等在風力發電發展初期,皆採行設備補助的方式

2.固定收購價格(fixed feed-in tariffs):德國、丹麥及西班牙

3.固定補貼價格(fixed-premium systems)

4.稅賦抵減(tax credits):美國

固定電量系統(fixed quantity systems ):又稱再生能源配比系統(renewable-quota system ,美國稱為 Renewable Portfolio Standard),由政府規定再生能源發電量,由市場決定價格。其主要之方式包括:

1.競比系統(tendering systems):英國愛爾蘭法國

2.可交易綠色憑證系統(tradable green certificate systems):英國、瑞典、比利時義大利及日本

兩種推動製度之用意為形成保護市場,透過政府的力量讓再生能源于電力市場上更具投資效益,而其最終目的為提升技術與降低成本,以確保再生能源未來能于自由市場中與傳統能源競爭。

世界風能行業發展前景

德意志銀行最新發布的研究報告預計,全球風電發展正在進入一個迅速擴張的階段,風能產業將保持每年20%的增速,到2015年時,該行業總產值將增至目前水準的5倍。

從目前的技術成熟度和經濟可行性來看,風能最具競爭力。從中期來看,全球風能產業的前景相當樂觀,各國政府不斷出台的可再生能源鼓勵政策,將為該產業未來幾年的迅速

發展提供巨大動力。

風能

根據預計,未來幾年亞洲和美洲將成為最具成長潛力的地區。中國的風電裝機容量將實現每年30%的高速成長,印度風能也將保持每年23%的成長速度。印度鼓勵大型企業進行投資發展風電,並實施優惠政策激勵風能製造基地,目前印度已經成為世界第5大風電生產國。而在美國,隨著新能源政策的出台,風能產業每年將實現25%的超常發展。在歐洲,德國的風電發展處于領先地位,其中風電設備製造業已經取代汽車製造業和造船業。在近期德國製定的風電發展長遠規劃中指出,到2025年風電要實現佔電力總用量的25%,到2050年實現佔總用量50%的目標。

而一直以來在風能領域處于領先地位的歐洲國家成長速度將放慢,預計在2015年前將保持每年15%的成長速度。其中最早發展風能的國家如德國、丹麥等陸上風電場建設基本趨于飽和,下一步主要發展方向是海上風電場和設備更新。英國、法國等國仍有較大潛力,成長速度將高于15%的平均水準。

目前,德國仍然是全球風電技術最為先進的國家。德國風電裝機容量佔全球的28%,而德國風電設備生產總額佔到全球市場的37%。在國內市場逐漸飽和的情況下,出口已成為德國風電設備公司的主要成長點。

德國政府將通過價格補貼等手段支持該行業通過技術創新保持領頭羊地位。今年,德國將再次修訂《可再生能源法》,將海上風電場入網補貼價格從每千瓦時9.1歐分提高到14歐分。

在中國,2006年國家發改委會、科技部、財政部等8部門聯合出台了《“十一五”十大重點節能工程實施意見》。依據十項節能重點工程的標準以及政府支持環保節能產業的政策導向,未來工業設備節能更新改造、建築節能、節油及石油替代以及可再生能源這幾大節能領域將獲得快速發展。

目前,根據行業雜志《風能世界》載錄,中國市場最熱的可再生能源,比如風能、太陽能等產業。風能資源則更具有可再生、永不枯竭、無污染等特點,綜合社會效益高。而且,風電技術開發最成熟、成本最低廉。根據“十一五”國家風電發展規劃,2010年全國風電裝機容量達到500萬千瓦,2020年全國風電裝機容量達到3000萬千瓦。而2006年底,全國已建成和在建的約91個風電場,裝機總容量僅260萬千瓦。可見,風機市場前景誘人,發展空間廣闊。

根據發改委能源研究所探測計算,中國陸地70米高度3級及3級以上風能技術開發量超過26億千瓦,在現有風電技術條件下實際可裝機容量將超過10億千瓦,另外水深不超過50米的近海海域風電實際裝機容量大致在5億千瓦左右。2012年國內累計裝機不到1億千瓦,可見國內在現有風電技術條件下,大規模發展風電的前景依然巨大。

風電資源多集中于“三北”(東北、華北和西北)地區,其中內蒙古的東蒙和西蒙、新疆哈密、甘肅酒泉、河北壩上、吉林西部和江蘇近海等7個千萬千瓦級風電基地風能資源最為豐富,50米高度3級以上風能資源的潛在開發量月18.5億千瓦,可裝機容量月5.57億千瓦,若考慮70米及以上高度和風電技術進步情況,可裝機容量還將大幅增加。

中國陸地和近海風能資源潛在開發量

地域總面積(萬平方千米)風能資源潛在開發量(億千瓦)
陸地約96026
海上(水深5-5-米,高度100米)39.45

資料來源:產業信息網整理

相關詞條

其它詞條