全球风能资源与风力发电技术进展

全球风能资源与风力发电技术进展

1地形地貌对风的影响风是日常生活中最常见的自然现象。浪漫是文学中常见的自然现象。浪漫是哈尔冯朗德。风在一年四季中无时无刻不和我们相伴,春季里春风和煦,夏日里熏风炙人,秋季里秋风萧瑟,冬日里寒风凛冽。人们虽看不见风,但却随时感到其存在。风是具有能量的,平日里,微风就能带动玩具风车飞速旋转,在狂风怒号的台风季节中,风灾造成的破坏更使人感到风的威力。据估算,海洋中一个直径为800km的台风,其具备的能量相当于50万颗1945年在广岛爆炸的原子弹的能量。风所具备的能量简称为风能。虽然风是最熟悉的自然现象,但其形成过程是相当复杂的,受到一系列因素的影响。要了解风的形成必须先研究包围着地球的一层称为大气层的空气的运动。空气的流动和水流一样是从压力高处往压力低处运动。空气流动就形成风。造成空气压力差和流动的根本原因就在于太阳能。由于地球自转轴与围绕太阳的公转轴之间存在一个66.5°的夹角,因而太阳的照射角对地球上各处是不同的,即使对同一地点,照射角每天也是变化的。地球南北极接受太阳光照最少,温度低,空气密度大,气压高。地球赤道地区受到的太阳光照最多,吸收的太阳能要比两极地区多得多,因而温度高,空气密度小,气压低。这样一来,较重的冷空气就由两极沿地面下沉移向赤道,而较轻的热空气则在赤道附近上升移向两极,去填补下沉的冷空气。此后,进入赤道地区的冷空气又被加热上升,流入两极地区的热空气又受冷下沉。这样周而复始,形成半球形的空气环流,即为风。地球自西向东的自转对空气的流动也会产生影响。由于赤道处上升的气流获得的地球自转引起的惯性旋转速度比从极地下沉的气流获得的大。因此在北半球,向北运动的空气流动方向偏东,由于这种风是从西边吹来的,因而称为偏西风。自北极向南运动的空气偏向西,称为极东风。在北半球,空气在北纬30°区域积累较多,造成这一带区域的高压带和温和气候,称为副热带高压带。一部分空气由此向南运动,方向偏西,称为季风。南半球也会产生类似的风的情况。图1示不考虑地形差异时地球上风的运动方向。地球各处的地形地貌也会影响风的形成。以山谷为例,白天阳光照射使山上空气温度升高并向上升腾,山谷中的冷空气密度小,压力大,于是就沿山坡上升,形成谷风。在晚上,山上的热量迅速向高空散发,山坡附近的空气温度降低,密度增大,沿山坡下移,形成山风。在海洋与海岸陆地之间,由于海水热容大,陆地的热容小,因而在白天太阳照射下,海水温度比陆地的低。于是陆地上温度较高的空气上升,而海面上较冷的空气就流向陆地进行补充,形成了海陆风或称向岸风。相反,在夜晚海水降温比陆地慢,于是海面上温度较高的空气上升而陆地上相对较冷的空气就流向海面,形成陆海风。风的形成除与上述的各地区的太阳照射角、地球自转、地区的地形地貌等有关外,还具有随机性、随季节变化和随高度变化等特性。描述风力的两个最重要物理参数为风速和风向。风速表示风的移动速度,即单位时间内空气流过的距离,风向是指风吹来的方向。气象学和动力学中研究的主要为水平方向的风。如果用测速计测量某点的风速就会发现风速是随时间不断随机变化的。因而通常所说的风速是指一段时间中各变化风速的平均值,即平均风速。此外,风向也具有随机特点,是时刻在变化的。风向可用风向杆测出并得出当地的主导风向。由于地球自转轴与绕太阳公转轴之间存在偏角,使各地区受到太阳辐射强度会随时间而发生季节性变化,从而使各地区的风向和风速均会发生季节性变化。在我国山东半岛、辽东半岛的风力春季最大,冬季次之;台湾及南海诸岛的风力秋季最大,冬季次之;西北、东北及华北等内陆地区,春季风力最大、冬季次之,夏季最小。在距地面2000m以内的大气摩擦层中,空气的流动和风力大小还受到地面摩擦力的影响。地面摩擦力、地表植物、建筑物等都能阻碍空气流动和减小风速。因而风速随离地面的高度增高而增大。在同一高度上,风速也因地面建筑物和地表植物等阻碍物的减少而增大。人们可以感觉到,高度相同时,在高楼林立的城市中风速最小,城市近郊或村庄风速较大而在平地或海岸线地带风速最大。由此可见风的成因的复杂性,所以人们常说天有不测风云。2理论风能储量的确定风能指的是作水平方向流动的空气所具有的动能。如果以ρ表示流动空气的密度,v表示空气的速度,则每平方米面积上流过的空气动能就为,简称为风能密度单位为W/m2。风能密度是估算风能储量的一个重要参数。风能计算时所用的空气密度与气压、温度、高度等因素有关。一般计算时,在海拔高度过500m以下,采用常温标准大气压下时的空气密度,可取为1.225kg/m3。在海拔高度高过500m时,必须考虑空气密度的变化。风能计算式中的空气速度是随高度和时间变化的。在估算风能储量时,一般计算离地10m高度层的风能储量。因而风能储量并非指整个大气层或近地层内的风能储量。由于风速随时变化,所以应先测定一个地区一年内(或多年)各种风速的吹风时间数,计算出该地区的年平均风能密度。再根据该地区的面积、风能转换装置的风轮扫掠面积和技术要求算出该地区可装设的风能转换装置的总台数和总的风轮扫掠面积。然后乘以该地区的平均风能密度就可算出该地区的风能储量。我国按此法得出的陆上理论风能储量为32.26亿kW。实际陆上可开发利用的风能储量为2.53亿kW,海上可开发利用的风能储量为7.5亿kW左右,两者总和超过10亿kW,约为我国水能可开发总量4.02亿kW的2.5倍。据估算,全球可开发利用的风能储量达200亿kW,比全球可开发利用的水能总量大10倍。风能储量巨大且是一种清洁的,取之不尽用之不竭的可持续利用的再生能源,因而在当前化石能源面临枯竭和生态环境严重污染的情况下,已成为全球能源开发利用的一大热点。3风力发电机系统风力发电依靠风力机将风能转换为电能。图2为一台水平风力发电机的结构示意图。图中,风力机的风轮由三个用玻璃钢或尼龙等制成的叶片构成。风力吹动风轮旋转,并通过变速齿轮箱将风力机轴上的低速旋转(约为18～33r/min)转变为发电机所需的高转速(800r/min或1500r/min),传给发电机轴使之旋转发电。当风力发电机的风轮正对风向时,风轮得到的风能最大。为了保证风轮随时都迎着风向,在风力发电机中设有偏航系统。当装在机舱顶部的风向标测得风轮不正对风向时,会发出偏航指令,通过偏航系统使机舱和风轮绕塔架的垂直轴转动,以达到对准风向的目的。风轮转速和发电机的输出功率是随风速增大而提高的。风速太大会使风轮转速过快和发电机超负荷运行,这些均会使风力发电机发生运行事故。为了保证风力发电机的安全运行,风力发电机中都设有限速安全装置以调节风力发电机风轮的转速,使之在一定风速范围内保持基本不变,以便风力发电机能在不同风况下稳定运行。风轮转速调节方法主要有两类,一类是风轮叶片桨距固定型,另一类是风轮叶片桨距变动型。固定桨距型的调速方法为,当风速增大时,通过各种机构使风轮绕垂直轴回转,以偏离风向,减少迎风面和受到的风力以达到调速的目的。变桨距型的调速方法为,当风速变化时,通过一套桨叶角度调整装置转动桨叶,改变叶片与风力的作用角度,使风轮承受的风力发生变化,以此来达到调速的目的。这两种调速方法中,前者结构相对较为简单,但机组结构受力较大,后者增加了桨叶角度调整装置,增加了造价但可使机组在高于额定风速情况下仍保持稳定的功率输出,提高发电量。因此中、小型风力发电机组较少采用变桨距调速方法,而大型风力发电机组大多采用变桨距调速方法。除限速装置外,风力发电机还装有制动器。当风速太高时,制动器可以使风轮停转,以保证风力发电机在特大风速时的安全。水平轴风力发电机设计理论表明,在一定的风力机转速与风速的比值下,风力发电机的风轮对风能的转换效率最高。对于常用的转速不变的恒转速风力发电机而言,在风速变化时就无法保持最佳的风力机转速与风速的比值,因而其风能转换效率就不能经常保持在最佳值。但恒转速风力发电机可以输出恒定频率的交流电,便于与电网连接。随后研制的变转速风力发电机可以在不同风速下均保持最佳的转速与风速的比值,因而风能转换效率高,一般比恒转速风力发电机可增加约10%的发电量。但其输出电流的频率不稳定,必须通过增设的变频装置才能实现输出恒频的交流电以便与电网连接。现在单机功率超过1MW的大型风力发电机组大多采用变转速运行方式。风力发电机组中的塔架将风轮和机舱置于空中以获得更多的风能。塔架有两种主要结构,一种为由钢板制成的锥形筒状塔架,另一种为由角钢制成的桁架式塔架,两者均设有梯子和安全索以便于维修人员进入机舱。大中型风力发电机组均配有由微机和控制软件组成的控制系统,可以对机组的启动、停机、调速、故障保护进行自动控制,可以对机组的运行参数和工作状况自动显示和纪录,以确保机组的安全经济运行。风力发电机组根据其运行方式可分为离网型风力发电系统和并网型风力发电系统。前者独立运行,主要用于边远农村、牧区、海岛等远离电网的地区,机组功率较小(一般为5kW以下)。在这种系统中,风力交流发电机输出的交流电经整流器整流后输入蓄电池蓄能,再供直流负荷使用。如用户需要交流电,则应在蓄电池与用户之间加装逆变器后再输给用户。在无风期间,可由蓄电池供电。风力发电机组也可和柴油发电机组或太阳光发电系统组成一个互补型的联合发电系统。在风力发电机不能输出足够电力时,另一个系统可提供备用的电力。风力发电机采用并网运行方式指的是将风力发电机组与电网连接并将输出的电力并入电网。对于恒速恒频的常用风力发电机组已普遍采用。对于变速风力发电机组则需增设变频装置等使输出电流达到恒频后再并网运行。风力发电始于丹麦,其政府在1890年就制定了一项风力发电计划,随后建成了世界首座风力发电站。到1918年已具有72台单机功率为5～25kW的风力发电机组。1931年,前苏联成功地制造了一台30kW的水平轴风力发电机组。当时是全球功率最大的一台。1941年美国试制了一台功率为1250kW的风力发电机组,但限于当时的技术水平,运行不稳定,经济性低下,运行近4年后因大风吹断叶片而停止运转。第二次世界大战后,经济复苏,能源不足,促使一些工业发达国家去研制中型及大型风力发电机组。丹麦研制了45kW和200kW等风力发电机,投运后并入电网。德国在1955年制成了100kW风力发电机。法国继1950年制成130kW风力发电机后,又在1958年制成800kW风力发电机。但是在廉价石油和矿物燃料发电机组的冲击下,这些试验性风力发电机组均中止了运行。1973年西方发生石油危机并随着全球环境的恶化,风力发电又重新受到重视。各国都加紧了对风力发电机组的研究和开发。在20世纪80年代,单机容量为100kW以上的水平轴风力发电机组的研制在欧美发展迅速。1987年美国研制成单机容量为3.2MW的水平轴风力发电机组。丹麦、德国、荷兰、西班牙等国也均研制了100kW以上的风力发电机组。同时,为了解决风力发电机输出电能的不稳定性和容量不大的问题,采用了在同一场地装设大量台数的风力发电机并联合向电网供电的系统。这种系统称之为风电场。当前各国均在广泛建立大型风电场。除建设陆上风电场外,还在建设海上风电场,以期获得更为丰富和强大的海上风能。当前世界超大容量的水平轴风力发电机组之一为德国研制的5MW风力发电机(图3)。一个拥有200台这种风力发电机组的风电场,其发电总量就可与一个100万kW的大型常规燃煤发电站的发电量相当。由于风能是清洁能源,因而前者比之后者,每年可少排烟尘(粉尘、Co等)100万吨,造成酸雨的二氧化硫6万吨,强致癌物苯并芘630kg和大量造成温室效应的气体CO2。其环保和经济效益十分显著。图3为超大型5MW三叶片风力发电机,其风轮直径为125m,风轮面积达12000m2,相当于两个足球场的面积。风轮和机舱重达数百吨,置于高120m的塔架上。仅此一台机组的发电量就可供6000户家庭用电。风力发电机的类型除采用水平轴风力机外,还有采用垂直轴风力机的。垂直轴风力机的风轮转轴与地面垂直。这种风力机类型众多,但最具代表性的为法国工程师Darrieus发明的风力机(图4)。这种风力机的风轮由2～4片跳绳曲线型叶片组成。其优点为不受风向影响,可利用任意方向吹来的风力,所以不需对风装置,发电机和变速齿轮箱可置地上,结构简单,造价较低,便于维护。其缺点为存在近地面的风轮部分,因近地面风力较小,所以风能转换效率低。此处,还存在启动、停车叶片制造和运输安装不便等问题,因此,目前风力发电机组98%采用水平轴风力机,垂直轴风力机已很少用。1987年加拿大曾研制了一台这种类型的大型垂直轴风力发电机,容量为4.2MW,直径达100m,现也已停用。风电不会释放二氧化碳,不会造成酸雨和污染大气、陆地和水源,因而是替代燃用化石燃料的常规火力发电站的首选方法。同时也是大量减少二氧化碳排放量的经济而速效的措施。研究表明,风力发电能力每增加一倍,其成本就会下降15%。近年来,全球风电增长率一直保持在30%,因而风电成本快速下降,在国外已接近燃煤发电的成本。由于风电既清洁又经济,全球有50多个国家都在努力研究和发展风电。风力资源丰富的欧洲国家更在加大风电开发和研制力度。德国至2004年底,其风力发电量约为全国总发电量的6.2%,已计划到2010年增加到12.5%,到2050年增加到50%。欧洲风能协会的报告表明,到2020年欧洲将有20%电力采用风力发电。目前丹麦风电已占其总电力的20%。该协会的另一份国际能源研究报告表明,到2020年,全球风力发电可提供全球电力需求的12%,可减少二氧化碳排放量100多亿吨。此外,美国也计划到2030年,风电将占其全部电力装机容量的30%。随着矿石燃料日渐枯竭和价格的上升,火力发电成本将逐渐增高,风电成本则随着风电机组容量的增大和风电场规模的扩展将继续下降。据联合国对新能源和可再生能源的估计,到2020年,风力发电成本可降到3美分/千瓦时及以下。因而风电是近期及未来最具开发利用前景的可再生能源,其迅速发展是必然的趋势。我国风力发电事业始于20世纪70年代,主要解决远离电网的边远地区的农村、牧区、海岛等地对电能的迫切需求。因而着重研制开发100～1000W的独立运行的离网型小型风力发电机组,取得了明显的经济效益和社会效益。目前,离网型小型风力发电机组的生产能力和年产量均居世界首位,除满足国内用户需求外,还出口国外。20世纪80年代开始研制中大型风力发电机组。我国一面将大型风力发电机组的研发列入国家科技攻关项目,组织国内科技力量和企业联合攻关,另一面引进国外机组进行消化吸收,掌握大型风力发电机组制造技术,并进行组装或合作生产。在1985年至1995年期间,先后自行研制了120kW,200kW和300kW风力发电机组。在1995年至2003年间研制了600kW和750kW的固定桨距型风力发电机组,国产化率达到90%以上。为了配合国内大型风力发电机组的产业化,我国还逐步形成了叶片、齿轮箱、发电机、偏航系统、电控系统等零部件专业生产厂。2005年自行研制的1.0MW变速恒频风力发电机组投运。2006年自行研制成功了功率为1.5MW的变桨距变速风力发电机组,标志着我国兆瓦级大型风电机组的自主创新能力已达到世界先进水平。这台机组的国内造价为750万元左右,亦即千瓦机组成本只有5000元左右,这使风力发电机组的制造成本大为降低,已逐步接近常规火电造价4000元/千瓦的水平。现在我国正在研制3MW的风力发电机组,可能在明年或后年就出成果。我国《可再生能源中长期发展规划纲要(2004～2020)》中规定,到2010年并网风电装机容量为500万kW,到2020年为3000万kW。因而到2020年,我国风电装机容量将是2005年风电装机总容量126万kW的24倍,增长十分迅速。我国风电场建设工作始于1983年,当时在山东荣城以3台丹麦55kW风力发电机组作为并网型风力发电技术的示范试验风电场后,到2005年底,全国已建成61个风电场,总装机容量126万kW。2007年底风电装机总量已达400万kW。预计到2010年风电场的总装机容量将超过500万kW,到2020年将超过3000万kW。尽管风电在我国发展很快,但因起步较晚,即使到2020年,风电占全国发电量的比例仍只有3%左右。我国风能资源丰富,清洁环保,开发利用潜力很大。随着其规模化发展、风电创新技术的进展、国产化率的进一步提高和矿石能源因日益枯竭而价格增高,风力发电的成本将低于常规火力发电的成本并因此而得到更大规模的迅猛发展。4其他用途风能除用于发电外,还广泛应用提水、灌溉、船舶助航、风力致热等工程。4.1风力提水机的发展风力提水可用于农田灌溉、人畜饮水、海水制盐、水产养殖、草场改良或滩涂改造等工程的提水作业,经济效益和社会效益显著。我国早在1700多年前就已应用风帆式风车提水。古代科学著作《物理小识》中就有“用风帆六幅车水灌田”的记载。10世纪伊斯兰人用风车提水并在中东获得广泛应用。12～14世纪风车在欧洲推广应用后,荷兰将其用于莱茵河三角洲湖地及低湿地的提水并用于碾谷和榨油等作业。我国到20世纪50年代末,这种传统的帆式风车提水机在江南和福建沿海地区仍在大量应用,仅江苏就有20多万台。美国中西部地区应用的多叶式风力提水机在19世纪末曾多达数百万台。目前,美、英、荷兰、丹麦等工业发达国家以及印度、墨西哥等发展中国家都在研发和应用与本国国情相配的风力提水机。风力提水机总的工作原理为将风力机因风力而旋转的转轴运动应用传动机构使之转换成垂直方向的上下运动或较快转速的旋转运动,以此来传动与之相连的活塞式水泵或旋转式水泵。我国目前研发生产的风力提水机主要有两种,一种为低扬程大流量风力提水机,用于提取地表水,其扬程一般为0.5～3.0m,流量为50～100m3/h,主要在南方各省及东南沿海地区使用。图5示有其结构示意图。由图可见,其风力机由风轮、机头回转体、传动系统、尾翼、配重机构和塔架等部件组成。风轮由十多片叶片构成,以保证在低风速下也能转动。机头回转体可保证风轮绕回转中心线自由转动以保持迎风位置。传动系统由上、下两个变速箱和传动轴组成。上面的变速箱将风轮的水平轴旋转变为垂直传动轴的旋转运动。下面的变速箱再将垂直传动轴的旋转运动变为输出的水平轴旋转运动并驱动水泵提水。与之配套的旋转式提水机有龙骨水车、钢管水车和螺旋泵、离心泵等。尾翼及调速机构可保证风轮平时保持迎风位置,在风力过大时使风轮偏离风向某一角度或在八级大风时使风轮与尾翼并扰,达到停车状态。另一种风力提水机为高扬程小流量风力提水机,用于提取深井地下水。其扬程一般为10～146m之间,流量为0.5～5m3/h,主要用于北方及草原牧区。这种提水机的风轮与前一种相似,但风轮的叶片数更多,一般为16～24片。其传动箱的功能是将风轮的水平轴旋转运动变为与传动箱连接的垂直拉干的上、下往复运动。拉干下端与活塞泵的泵杆相连。这样,风轮旋转使拉杆带动泵杆和活塞作上下往复运动进行提水。4.2风船的结构和配套设施人类最早利用风能的方式为风帆助航,埃及是最先利用风能的国家。约在5000年前,埃及的风帆船已在尼罗河上航行。我国在3000年前的商朝出现了风帆船,到唐朝帆船已广泛航运于江河。此后,随着帆船制造技术的进步,科技的发展和航行经验的积累迎来了风帆助航的辉煌时期15世纪。15世纪是人类历史上的大航海时期,在此期间,我国航海家郑和七下西洋;哥伦布乘帆船发现了美洲新大陆。此后随着蒸汽机和内燃机的发明以及煤、石油等矿石能源的大规模开采和利用,帆船因动力小和速度慢而逐渐被淘汰。1973年西方发生石油危机后,随着矿石燃料储量的日益短缺和价格上升,风帆助航又重新受到了船舶设计制造界的重视。1980年日本建成了全球第一艘现代风帆船“新爱德丸”。这艘船载重1600吨,排水量2400吨,装