大型桥梁的风能利用可行性研究

大型桥梁的风能利用可行性研究提纲前言主题一风能简介二风力机简介三桥梁简介四国内外在大型桥梁对风能利用的况五大型桥梁对风能利用的意义总结前言随着经济的发展，煤炭、石油等资源短缺的形势越来越紧张，目前及今后很长的一段时期内我国的电力的需求与供应将会持续存在较大的缺口，因此，发展可再生能源发电成为缓解资源紧张局面的必要途径，我国风力资源丰富，再生能源中的风力发电是当前现实的选择，随着发达国家对二氧化碳减排义务的承诺,风力发电受到了许多国家的重视,成为未来能源的重要来源。风力发电包含两个能量转换过程：即风力机将风能转换为机械能和发电机将机械能转换为电能。这就有了必要的条件：一：安装风力机；二：有足够的风能来带动风力机。安装风力机有很多要求：确定当地的主风向,风力机应安装在主风向的上风头。例:内蒙古大部分地区盛行西北风,那么风力机应安装在房屋的西北方向,以减少房屋对风的遮挡作用。

②同时要求在风力机的上风头尽量没有其他房屋或树木等障碍物的存在。

③尽量避免风的紊流的影响,紊流是风在流经粗糙地表或障碍物而引起风速风向的急剧变化而造成的。紊流造成风力机输出功率减小并引风力机振动,造成噪音和影响使用寿命。为了避免紊湍流的影响,风力机应安装在相对开阔无遮挡地方,离开房屋一定距离。

④风力机风轮高度范围内的风速垂直切变要小,风速的垂直切变是指在高度方向各个层面的风速不同,这是由于地形和地面粗糙度所引起的,垂直切变使风轮叶片受到分布不均匀的力的作用,容易造成风轮损坏。为了避免风速垂直切变对风轮的影响,应选择合适的风力机安装高度。根据桥梁位置较高、架空和所处空间开阔等特征，可把桥梁作为风力机的载体，如果在安装风力机后桥梁的性能依旧能够符合各项参数指标，那么桥梁的作用将得到更一步的提升，也将更全面的利用桥梁的空间。主题一：风能简介风力发电机简介国际上利用风力发电是本世纪发展壮大起来的，随着风电技术不断进步，容量逐步增大，单机容量已达几百千瓦，并有兆瓦级风力发电机问世，近十几年来风力发电机产品质量有了显著提高，作为一种新的，安全可靠的，干净的能源而受到国际上风资源丰富国家的关注与大规模开发。目前，世界上风电总装电容量约为7000MW，美国最多，约有1700MW。中国是风资源丰富的国家，特别是新疆、内蒙古与沿海地区。我国风力发电在八十年代开始发展，初期大多是独立运行户用百瓦级风电机组，安装在边远，孤立无电地区供农牧民使用。近年来，大型并网风力发电机组引入我国，多台风电机组安装在风资源丰富地区组成风电场，接入地区电网供电，现在，我国并网风电机组装机总容量约为100MW。风电的优越性可归纳为下面五点：风力发电是一种干净的自然能源，没有常规能源（如煤电，油电）与核电会造成环境污染的问题。风电技术日趋成熟，产品质量可靠，可用率已达95%以上，已是一风力发电是一种干净的自然能源，没有常规能源（如煤电，油电）与核电会造成环境污染的问题。风电技术日趋成熟，产品质量可靠，可用率已达95%以上，已是一种安全可靠的能源，风力发电的经济性日益提高，发电成本已接近煤电，低于油电与核电，若计及煤电的环境保护与交通运输的间接投资，则风电经济性将优于煤电。风力发电场建设工期短，单台机组安装仅需几周，从土建、安装到投产，只需半年至一年时间，是煤电、核电无可比拟的。投资规模灵活，有多少钱装多少机。

目前商用大型风力发电机组一般为水平轴风力发电机，它由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件所组成。风轮的作用是将风能转换为机械能，它由气动性能优异的叶片（目前商业机组一般为2—3个叶片）装在轮毂上所组成，低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机。上述这些部件都安装在机舱平面上，整个机舱由高大的搭架举起，由于风向经常变化，为了有效地利用风能，必须要有迎风装置，它根据风向传感器测得的风向信号，由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮咬合的小齿轮转动，使机舱始终对风（见图一）。1:轮毂（装叶片）2:传动系统3:增速齿轮箱4:刹车系统5:电机6:塔架7:风速风向仪图一风电机组的功率调节有两种方式，一种是失速调节，另一种是变桨距调节—即叶片可以绕叶片上的轴转动，改变叶片气动数据，实现功率调节；整台机组由电控系统进行监视与控制，可以实现无人操作管理。风能是一种无污染的可再生能源，它取之不尽，用之不竭，随着生态环境的要求和能源的需要，新能源的开发日益受到重视，由于风力发电经济性日益改善，因此国家对风力发电已制定了发展计划，提出2000年风电装机40MW以上的奋斗目标，为二十一世纪大规模开发风电打下良好的基础。三：桥梁简介桥是一种架空的人造通道。由上部结构和下部结构两部分组成。上部结构包括桥身和桥面；下部结构包括桥墩、桥台和基础。它们高悬低卧，形态万千，有的雄距山岙野岭，古朴雅致；有的跨越岩壑溪间，山川增辉；有的坐落闹市通衢，造型奇巧；有的一桥多用，巧夺天工。不管风吹雨淋，无论酷暑严冬，它们总是默默无闻地为广大的行人、车马跨江过河，飞津济渡。建桥最主要的目的，就是为了解决跨水或者越谷的交通，以便于运输工具或行人在桥上畅通无阻。若从其最早或者最主要的功用来说，桥应该是专指跨水行空的道路。故《说问解字》段玉裁的注释为：“梁之字，用木跨水，今之桥也。”说明桥的最初含意是指架木于水面上的通道，以后方有引伸为架于悬崖峭壁上的“栈道”和架于楼阁宫殿间的“飞阁”等天桥形式。我国山川众多、江河纵横，是个桥梁大国，在古代无论是建桥技术，还是桥梁数量都处世界领先地位。千百年来，桥梁早已成为人们社会生活中不可缺少的组成部分。但由于我国幅员辽阔，从南到北，从东到西，在地理气候、文化习俗以及社会生产力发展水平上，都存在较大的差异。因此，各自立足于自己的实际条件和根据自己的需要，经过长期的时间，遂创造出多种多样的桥梁形式，并逐步形成了自己的特色。桥梁主要有三种类型： 梁桥 拱桥 吊桥这三种类型最大的不同之处在于其单跨距的长度。跨距是两个桥梁支柱之间的距离，不管它们是桥柱、桥塔还是峡谷的峭壁。例如现代梁桥的跨距可以达到60米，而现代拱桥的跨距可以轻松达到240到300米。吊桥是桥梁技术的金字塔尖，它的跨距能够达到2,100米。为什么拱桥的跨距能够比梁桥长得多？为什么吊桥的跨距能够达到拱桥的7倍？答案就在于各种桥梁如何处理两种力——压力和拉力： 压力是物体所作用的挤压或收缩力。 拉力是物体所作用的扩张或拉伸力。弹簧是我们每天常见的有关压力和拉力的例子。下压弹簧或将弹簧的两端挤向一起的时候，即将其压缩。压力会让弹簧变短。上拉弹簧或者将其两端向外拉时，即将其拉伸。拉力会让弹簧伸长。所有的桥梁都会受到压力和拉力，桥梁设计的任务就是妥善处理这些力而不会出现弯曲或拉断。当压力超过物体的承受能力时就会发生弯曲，当拉力超过物体的承受能力时就会造成拉断。处理这些力的最佳方式就是将其分散或转移。分散就是将其散布到更大的面积，避免出现某个点集中受力。转移就是将其从强度较弱的区域移到专门设计的受力区域。拱桥就是将力分散的很好的例子，而吊桥则是将力转移的范例。梁桥有多种不同的类型，取决于桁架的设计、位置和材料。在工业革命刚开始时，美国的梁桥建筑发展得非常迅速。设计师提出了很多种不同的桁架设计和材料。木桥被纯铁或木铁混合结构取代。在这个时期里，不同的桁架风格也有重大的进步。早期的设计中有一种十分流行的样式叫做豪氏桁架。这种设计由威廉•豪于1840年获得了专利。他的创新并不在于桁架的样式。它与已有的主梁型样式有点类似，不过在对角的木柱支撑之外，还使用了垂直的铁柱支撑。当今的很多梁桥仍然在桁架中使用豪氏样式。。单个梁不管跨距多大，都会同时承受压力和拉力。梁的顶部承受最大压力，而底部承受最大拉力。中部则承受很少的压力或拉力。如果在梁的设计上顶部和底部使用较多材料，而中部使用较少材料，则可以更好地承受压力和拉力（因此，工字型梁比简单的矩形梁更坚固）。桁架结构将这种概念向前推进一步。桁架桥的一侧被看作单个梁。梁的中部由桁架的斜构件构成，而桁架的顶部和底部代表梁的顶部和底部。用这样的方式来观察桁架，我们会发现梁的顶部和底部比中部所用的材料更多（瓦楞纸板非常坚硬就是因为这种原因）。除了上面提到的桁架结构效果以外，桁架比单个梁更坚固的原因还有一个：桁架能将载荷分散到桁架结构各处。桁架通常由各种不同的三角形构成，形成了非常坚固的结构，并且将载荷从一个单点转移到范围很大的区域。拱桥是一种半圆形结构，两端各有桥墩。拱形半圆形的设计自然地将桥面的重量转移到桥墩上。压力拱桥始终为受压状态。压力沿着拱形的弧面向外传递到桥墩上。拉力拱桥的拉力可以忽略。拱桥的自然弧线及其将力向外扩散的能力能够大大降低拱桥下侧所受拉力的影响。不过曲率越大（拱桥的半圆越大），下侧所受的拉力影响就越大。正如前面所提到的，拱桥本身的形状足以将重量从桥面中心向桥墩分散。和梁桥的情况相似，拱桥在尺寸上存在的限制最终会超过其自然强度。吊桥是用缆索（或绳索、链条）拉起并跨越于河流之上（或者遇到的其他障碍物），而桥面则悬挂在这些缆索上。现代吊桥有两座用于固定缆索高塔。这样，桥塔就支撑了路面的绝大部分重量。压力压力向下挤压吊桥的桥面，但由于它是悬吊的路面，缆索会将压力转移到桥塔，桥塔再直接将压力分散到固定它的地面。拉力支撑的缆索系在两个锚点之间，是拉力的主要承受者。由于桥重量和穿行于锚点之间汽车的重量，缆索会被拉长。锚点也会承受拉力，不过由于它们与桥塔一样非常稳固地与地面连接，所受的拉力会被分散开来。除了缆索以外，几乎所有的吊桥在桥面底下还有支撑的桁架结构（上承式桁架）。这可增加桥面强度，减弱路面摇摆和颠簸的倾向。四：国内外在大型桥梁上对风能利用状况世界能源消耗量的持续增加．使全球范嗣内的能源危机形势愈发明显．开发可再生能源以缓解能源危机、实现能源的可持续发展已成为世界各国能源发展战略的重大举措。风能因其在全球范围内的蕴藏量巨大、可再生、分布广、无污染的特性，使风力发电成为世界能源发展的重要方向。近几年来，世界风力发电装机容量平均每年大约以30％的速度增长。中国作为世界化石能源消费的主要围，在面临化石燃料发电所带来的严重的环境污染危机下．为解决能源问题．大力开发和利用风力发电。近2a来风力发电的增长速度远超其他国家。截至2008年底．全球风力发电装机容量达到121188MW。比2007年增加了27261MWtll。近年全球风力发电装机容量和新装机容量变化情况圄l1997—20lo年全球风力发电装机容量变化情况(2009--2010年的数据为全球风力发电的预测值)(1)2008年风力发电装机容量持续增长，增长速度为29％．预测今后几年仍将继续增加。(2)截至2008年底，全球安装的所有风力涡轮机发电量可达260TW№，超过全球电力消耗的1．5％tn。据国际能源署报道．到2009年风能在非水能现代可再生能源的利用中增长餐最大当今世界大力发展风能发电，这就需要大量的风场，对土地资源将会有很大的占用。风力机的安装需要架高、空旷的地域，然而大型桥梁有着足够的空间，一直以来都是被搁置，没能被充分利用。

为了保障汽车和火车能够快速平稳地前进，或者为了找到一条捷径，不少地区在修建高速公路和铁轨的过程中都需要建设桥梁。而这些桥梁往往有破坏生态环境的可能。意大利设计师提出了一种太阳风桥的创意，可把这些桥梁变成利用太阳能和风能发电的环保桥梁。

在修建桥梁的过程中，免不了要破坏当地的植被，对当地的生态环境造成一定的影响。意大利的桥梁设计师弗朗西斯科·克拉罗斯发现，如果把桥梁改造成能产生绿色能源的载体，就可以大大减少当地的碳排放，算是对保护当地的生态环境作出一定的补偿。根据桥梁所拥有的架空、较高和所处空间开阔等特征，把桥梁作为太阳能和风能发电的载体是再好不过的了。

弗朗西斯科等人把他们设计的环保桥梁称之为太阳风桥。在意大利政府举办的“太阳能高速公路”设计竞赛中，这项作品获得了优胜奖。在大部分需要修建桥梁的山区和沿海地区，风能和太阳能的资源都十分丰富。因此，太阳风桥的创意是可行的。太阳能电池板主要安装在太阳风桥的路面上，也可以覆盖在支撑桥梁的立柱上。在两个立柱之间的空隙中，则可以安装大量的风力发电机。风力发电机的规格并不完全相同，大小有所差异，这样可以充分利用垂直空间。

据设计人员估算，平均每公里桥梁产生的光电和风电，可以满足750户家庭的日常生活用电。如此推算，每千公里的桥梁则可满足75万户家庭的日常生活用电，而世界上不少国家的桥梁里程都超过1000公里。比如，在中国，仅公路桥梁里程就超过2.5万公里。如果在这些桥梁上都安装太阳能电池和风力发电机，发电量将是很可观的如今有科技工作者将大型桥梁风能利用作为研究课题，如果这一研究得到成功，将会更有效的利用桥梁的空间，也将对能源的供给给予贡献，对环境也会做出保护。五大型桥梁风能利用的意义1.风能的优越性与弊端：风力发电是一种干净无污染的可再生自然资源，取之不尽用之不竭，没有常规能源（煤电、油电、核电）会造成环境污染的问题。风电技术日趋成熟，产品质量可靠，能源可用率达95%以上。风力发电的经济性日益提高，发电成本较低，低于油电和核电，如果计及煤电的环境保护及交通运输等投资，风电成本也低于煤电。风力发电场建设工期短，单台机组安装方便。投资规模灵活，易操作。弊端：间歇性风有瞬时脉动的特性，风力的大小随季节的变化而变化，即使在同一地区，有利地形下的风力往往优于不利地形下的风力。由于风能固有的不可预测性和不稳定性，使风电具有间歇性的运行特征，无法保证稳定、持续不问断地发电，往往电网处于用电高峰时风电发不出电来，而当电网处于用电低谷时风电却可能满负荷发电，这就增加了电网调度难度，使风力发电的供给与需求很难协调起来，增加了维持电网的稳定的难度。噪声污染风力发电机组中的大功率电力电子器件的应用，风力发电机组频繁的并网投切，也造成了电网的谐波污染、电压波动和电压闪变。发电成本高风能在生产电力以前，需要大量的固定资产投资，由于近两年国内风电一哄而上，约75％的风电场选用的是国外的风电机组，导致国内风力发电设备的供不应求，国外各大风机生产厂家趁机提价，使风机购置成本居高不下，风电的成本至少有70％以上为风机设备成本，目前,中国风电成本约在0.5元以上。2.对于桥梁的充分利用：桥梁一般地处偏远的山区及河道，利用桥梁作为载体，安装风力机。由于所处地域有着很大优越性，风能比较充足，而且相对比较稳定，风力机所产生的噪音远离居民区，风能发电的弊端能够得到很好的解决。3.对环境、能源的帮助火力发电要产生大量的温室气体和粉尘，会严重污染环境;以装机容量四十万千瓦的火电厂为例，每小时耗煤280吨，年产生二氧化硫6万吨，并产生烟尘28.5万吨，所带来的环境污染，可想而知。风力发电就是用风来发电。风力发电不像火力发电那样需要煤或油气，它只有有风就能发电，不消耗像煤、石油或天然气之类的资源。不会产生任何的废气或废物，对人类以及环境都不致造成任何的损害。据统计,风力发电每生产100万千瓦时的电量,便能减少排放600吨的二氧化碳,大力发展风能可以大幅度削减造成温室效应的二氧化碳,缓解气候变暖的状况,能够有效地遏制沙尘暴灾害,抑制荒漠化的发展。总结当今世界正掀起风电的高潮，而且风电的潜力也十分巨大，世界各地的科技工作者也正在努力当中。大型桥梁风能利用只是风能利用当中的一个小分支，虽然还没有很大的研究成果出现，但是随着科技的发展，我们相信大型桥梁风能利用时可以实现的，因为已经有了实例表明其可能性。从现在的条件看来，大型桥梁风能利用有以下几个有利条件：一：世界正掀起风电高潮，桥梁所处位置一般都在风能丰富的地区，没有处在人口集中区。二：风能发电机有关技术在快速进步，造价在快速降低，为大型桥梁风能利用提供了技术技术支持。三：桥梁架高，有很多空间闲置。不利条件：一：风电不稳定