然而,风力也可被利用来为人类造福。人类利用风力要比煤炭和石油都要早。早在两千多年前,我国已开始用帆行船;明代发明风力水车提水。我国郑和下西洋率领的就是帆船队;哥伦布横渡大西洋,发现美洲新大陆,也是驾驶着帆船完成这一历史使命的。
风能的利用方式大体上可分两种:一种是将风能直接转变为机械能应用;另一种就是将风能先转变成机械能,然后带动发电机发出电能加以使用,这就是风力发电。
将风能转变成机械能的装置就是风车,它是由几片桨叶组成的。传统的风车是采用水平轴式的,近代一些国家研制出了成本低、结构简单的立轴式风车。
利用风力来发电,是现代利用风能最广泛、最普遍的形式。
传统的风力发电方法是把风车、发电机等设备放在铁塔上,风力机可以绕铁塔做偏向转动,靠尾舵或自动控制系统来定向。
19世纪末,人们着手研制风力发电。1891年,缺乏煤炭资源的丹麦建成了世界上第一座风力发电站。进入20世纪,法国、德国、荷兰等国也都开始研究风力发电。第二次世界大战期间,因为燃料缺乏,一些国家积极研制小型风力发电机。20世纪60年代,因石油价格低廉,核电也正崛起,风力发电在一些工业发达的国家里遭到冷落。20世纪70年代中期开始,石油涨价又促使一些国家重新重视风力发电。全世界风力资源极为丰富,据估计每年可利用的风能总量折合成电能约为500万亿千瓦时,风力发电今后在全世界范围内将会得到新的发展。
世界风力发电情况
据美国风能协会发表的数据表明,1992年世界风力发电量由1991年的38亿千瓦时增至43亿千瓦时,美国风力发电量依然是世界第一。欧洲风力发电量有了很大发展,年初已超过10亿千瓦时。丹麦、德国和荷兰三国,1993年风力发电量已经达到12.5亿千瓦时。
美国政府重视开发风力发电
1992年美国能源部拨4000万美元资助美国电力公司开发风力发电设备和系统。该风力发电计划由美国能源部和电力研究院(EPRI)共同推动,并帮助一些美国电力公司在今后5年内开发一种新的风力发电系统。要达到能与化石燃料发电相竞争,并在许多州内得到推广。确立的目标是帮助在1998年完成能达到商业性运行的、世界级的风力发电系统,能够在风速21公里/时的地区运行,而且其发电成本为5美分/千瓦时。
美国还考虑开发其他类型的风力发电系统。能源部对该项计划的中心要求是改进风力发电机组和系统,使其发电成本比上述5美分/千瓦时再降低20%。
美国风力发电规模将迅速扩大,据美国电力研究所最近预测,到2010年,美国的风力发电规模将达到5000万千瓦。这家研究所介绍说,目前,美国对风车进行了两项重大的技术变动,引进了空气动力学和微电子技术,做到使风车的叶片能随着风速的大小随意旋转,风力发电全部计算机化,从而使发电能力提高4倍。改进后的风车在风速达到每小时14公里就能发电,而且在风速达到每小时96千米时,仍能继续工作。相比之下,旧式风车在风速达到每小时22千米才能发电,而当风速达到每小时72千米时就得停转。
随着涡轮和合成塑胶树脂轮叶制造的精益求精,美国风车又开始重振雄风。这种新轮叶所产生的能源,比传统轮叶高10%-30%。由于传统的发电厂兴建旷日费时,耗资庞大,整修更是费时、费力、费钱,但风力发电没有这些困扰,弹性十足,兴建容易,安装迅速,而且容易整修,过去10年来,美国风力发电的成本已下降了75%。
现在,全美国靠风力发电可以满足美国能源需要的10%。30年内,采用新的技术,可望达到美国能源需要的1/4。而且价格不断下跌,美国能源专家相信,由于风力发电是大势所趋,因此经营风力发电设备是有利可图的。
美国开发风能的主要经验是:
①选择风力充足的地区为场址。
②建立风机田,以阵列机群发电。
③集中建造风机群,统筹管理,便于联网运行和维护,降低发电成本。
④鼓励私营企业开办风电。
美国加利福尼亚州阿尔塔蒙特山口风力发电场,是目前世界最大风电场。1992年4月装机容量为73.7万千瓦,1991年发电11亿千瓦时,占美国风力发电的39.3%,世界风力发电的29.1%。
美国风电公司开发成功的33M-VS型风力发电机组,容量300千瓦,是按发电成本5美分/千瓦时设计的,采用电子技术,可变速,顶部装有风向传感器,使机组适应风向变化;电子控制系统保护透平免受阵风而超载。它与常规的恒速风力机相比,发电量大,成本低。现已投入使用,运行正常。
欧洲的风力发电走在前列
欧洲风力发电设备的发电能力1992年增加24.7万千瓦,达到80.1万千瓦,其中约53%设置于丹麦。1993年又增加23.2万千瓦,总量为112.3万千瓦。
开发风力发电最积极的是丹麦,1991年发电能力为41.8万千瓦,占欧洲总风力发电能力的65%,每年按10%的速度递增。1992年风力发电占全国总发电量的5%。
丹麦在哥本哈根南面的洛南岛附近约23公里处建成了一个规模较大的风力发电场,到2005年,该国风力发电达到120万千瓦,占该国所需电力的10%。
荷兰政府已制定了一项发展风力发电的计划,将建造2000台新的风力发电机,使全国的风力发电能力增加20倍。这些风力发电机,连同现已在运行的约1000台风力发电机,发电功率将达100万千瓦以上,足以为阿姆斯特丹这样规模的城市供电,相当于全国电力需要量的10%。
在今后几年里,荷兰政府和一些能源公司将投资3亿美元,用于开发高效风车。通过研制高级齿轮箱,将风车翼板直径由原来的10米达到15米,使风车发电机的功率由低于25千瓦,提高到500千瓦。
瑞典和丹麦研究在近海设置风力发电站。瑞典已在离南部海岸251.5米的海面建了一个220千瓦的试验风力电站,转叶直径2.27米,安在离水面3.75米的高度。试验期定为五年,如可行,即计划在波罗的海122公里长的海岸安装97个风力发电站,结合成7个风力发电机群,预计12个风力发电群即可相当于该国12个核电站。
英国拥有欧洲最丰富的风力资源,该国风能协会认为,如果英国投入40平方公里的土地用于风力发电,所获得的电力就足以满足全国所需电力的10%。英国风能咨询等公司决定支持的风力透平的浮动海洋平台的研究,主要研究和评价系留于深海的试验平台的经济性,如试验成功,则会成为海洋风力发电的先驱者。英国风力发电能力1992年为3万千瓦,1993年达到了13.1万千瓦。
其他,如意大利的计划,将风力发电增加到60万千瓦;风力发电设备较多的德国,1991年风力发电为9万千瓦,1995年的为20万千瓦;希腊的是400万千瓦。
日本政府积极开发风力发电
日本政府对风力发电十分关心,已建设了相当多的风力发电设备,用于照明、供暖、泵动力和发电所内动力等。主要设备有:
①1981年建于东京电力三宅岛的100千瓦装置
②1982年建于鹿儿岛冲绳县冲永良部的300千瓦装置③1990年九州电力建于鹿儿岛县甑岛的250千瓦装置④北海道寿都町的5台16.5千瓦装置
⑤1991年建于爱媛县濑户町的100千瓦装置
⑥1992年东北电力建于青森县竜飞崎的5台275千瓦装置(风力场)⑦中部电力建于碧南的250千瓦装置
⑧冲绳电力建于宫古岛的250千瓦装置等
日本东北电力公司在本州北部青森县津轻半岛已建成1375千瓦的龙飞风力发电场,据称是日本最大的风力发电场。津轻海峡地区年平均风速在10米/秒以上,是日本较优越的风力资源区域,颇有开发前景。
该风力发电场目前已装有5台风力发电机组,每台机组的额定容量为275千瓦。该功率控制采用了改变桨距的方式:当风速超过5.5米/秒时机组即开始发电,当风速达13米/秒以上时,便将输出功率控制在一定值上,若风速超过24米/秒时,风轮则自动刹车停转。
该风力发电机组的特点是:
①风轮的桨距调节系统可按风速改变,进行最佳功率控制②其偏转调节系统可控制风轮保持逆风方向
③采用微机控制系统自动控制运行
中国政府鼓励发展风力发电
新疆风力发电总厂从丹麦BONUS公司和NTK公司分别购进的8台300kW风力机已于1992年11月2日和12月4日正式并网发电。
新疆风力发电厂总装机容量2400千瓦,单机容量300千瓦,均居全国风电场前列。
1980年建立的八达岭风力发电试验站正不断向前发展。自1992年下半年以来,该站加强信息交流,举办了全国风电培训班,参与了德国专家的讲课。在试验研究方面,加强了常规试验的技术力量和装置。
1993年还完成“八五”有关攻关项目的阶段性成果。
内蒙辽阔的草原,有丰富的风力资源,全区80%以上的地区平均风速超过3.5米/秒,全年有效风速达3650小时。从20世纪80年代开始,风力发电在内蒙迅速发展,目前已有8万余户牧民用上了电,初步解决了生活用电问题。内蒙风力发电机组在全国各省(区)中居于首位。
内蒙朱日和风力发电试验电站自1989年上半年开始筹建以来,已得到迅速发展。于1989年底5台机组开始发电,1992年4月又接连投入了6台机组,并正式并网发电。1993年9月又投入了4台250千瓦的风力发电机组,还有10台120千瓦的机组继续施工。1993年底,该电站的装机总容量达到3300千瓦。
台湾省第一座商业用风力发电站1993年建成并投入使用。该电站每年10月到第二年3月的澎湖季风期进行运转,供应1050户居民用电,一年可节省传统发电燃油20万升。
这座风力发电站建在澎湖七美岛中和村东方约1公里的滨海高地,总投资约5000万元新台币。电站的主要设备大部分来自美国,包括两部高约24.6米的不锈钢塔架,上面各装有一部107千瓦的风力发电机、一组电力调节装置、一个主变压器及一套电脑监控系统。电站完全用电脑控制,除必要维修外,不需要人工看管。年供电量72万千瓦时,发电成本为1千瓦时电约70元新台币。
风能利用新技术——浮动式风力电站
英国正开始实施一项浮动风力计划,为风力机寻找新的场地,使其不再受必须在浅水区和固定结构的限制。初始资金73.6万英镑,其中一半由石油海洋计划中的贸易和工业部资助。
这项为期三年的研究项目,目的是为风力机找到一个理想的浮动支撑结构,使较深水的近海区域的风力经济地发出电来。
一位项目发言人说:“风能在经济上的吸引力,使其作为可再生能源而置于开发的首位。”由海床作为固定结构支撑常规机器的方法,使可利用的风场只局限于相对浅的水域。而使用浮动结构扩大了潜在风场的范围,因而对这项技术提供了可观的出口潜力。
对流层风力发电站
前苏联一个工程师小组提出了一项对流层风力发电机的设计,在离地面10-12公里的大气层,有一对流层,其风速达每秒25-30米,风能比地面大气层的风能大2000倍,因此,工程师们计划用这项巨大的风能,作出对流层风力发电站的设计。设计考虑将重量为30吨的风力发电机用气球升到离地10-12公里的高空,气球与风力发电机的连接使用超强度的缆索和电缆。控制设备和变压器等设备均设置在地面。据分析计算,大规模的对流层风力发电站的发电成本仅为现有电站的1/5-1/6。此外,这种高空电站不仅降低了发电成本,而且可用于无线电和电视传播。
新型家庭风力发电机
新型能源装置——家用风力发电机组由风叶、稳速机构、发电机、尾舵,速度器等部分组成,它具有启动风力小的优点,只要有2级风就可发电。它采用变桨距稳速机构,当风速超过4级以上,发电机转速和输出功率稳定不变。发电机组共有五种型号,其中JC-300型,一台一般可供5户家庭用电需要。发电机配有蓄电池,不刮风仍可满足3-4天用电,安装方面,适合农村家庭和小作坊用。
风能热转换装置
日本农业省农业试验场的农业气象研究室正在进行风力热转换装置的试验,风机螺旋桨轴的动力通过伞齿轮传动箱,由驱动轴传到地面,并带动油压式风力热转换装置内的油泵螺旋泵风力提水机旋转,从油泵喷出的工作油通过复合阀门和节流孔后,通过保温管道进入贮热槽内的热交换器,然后再回到油泵,在工作油循环的过程中,风能就转换成热能,其热能再传给水槽中的水,获得热量后即可使用。
现代化风帆
现在,古老的风能配之以现代新技术,正发挥出它的更大的威力。一些国家正在研制一种完全不带燃料的远洋货轮,这种新型货轮既不装内燃机,也不装蒸汽机,它完全靠两套风力涡轮装置来产生前进的动力,并以太阳能电池作为备用能源。风力涡轮有点像风车,只是没有风车那种巨大的叶片,而是用三四片铝合金及复合材料制成的叶片,两端固定在垂直安放的数轴上。风力涡轮转动时,除了带动船尾螺旋桨使船前进外,多余的能量还能带动发电机发电,给船上的蓄电池充电。在无风时候,由蓄电池供电给电动机驱动螺旋桨。同时,船载太阳能电池板开始集能发电。