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风力发电:乘风破浪的可再生能源!

风力发电,简称风电,是指将风的动能转化为电能。风能很早就被人类利用,早期多利用风能来抽水、碾磨等等。后来人们琢磨如何用风力来发电。风能清洁、无公害、可再生,取之不尽、用之不竭,如果能利用风能来产生电能,对于风力大、风力资源丰富的地区是非常适合的。

风力发电的原理

在日常生活中,我们大都了解风扇是如何运作的。电风扇通电后,在电动机的作用下风扇叶片转动起来,向外产生风力。而风力发电的顺序则是相反的,是由大自然的风吹动发电机的叶片,叶片带动发电机把风能转化为电能。

风力发电机组主要由风轮、发电机和铁塔,三部分组成。当风吹动叶片,驱动风轮转动,把风的动能转变为机械能,再通过发电机把机械能转变为电能。

是否风电机的叶片转得越快,发电量就越高呢?

事实上,风机发电量不取决于叶片旋转的快慢。在叶片恒定转速的情况下,叶片受力增加,功率就会增加。风机的叶片越大,功率越大,相应发电量就越多。相关数据显示,一台55千瓦的风力发电机组,在风速5米/秒时,风车机组的输出功率就能达到9.5千瓦;风速6米/秒时,功率为16千瓦;而风速为9.5米时,功率为55千瓦。

而当风速超过风机限定速度时,风机就要停止工作。因为叶片转速过快,会导致离心率大大增强,惯性的力量会打破风机自身的平衡,叶片就容易折断。不同规格的风力发电机会有最大转速的限制,当风速过快时,就需要及时停止风机的运行,避叶片损坏。

风力发电的劣势和短板

首先,风电机作为依靠大自然能量运行的清洁能源,对于物理搭建选址有一定的要求,而且相应的造价成本也是非常高的。毕竟一台风力发电机造型巨大,造价在千万元以上,维护费用不菲;更由于巨大的叶片所使用的材料不可二次回收利用(多为复合材料构成,具体成分主要包括环氧树脂、玻璃纤维以及轻木等),废弃叶片往往造成了环境污染和资源浪费。

其次,风能发电量也不稳定。因为风能是不可控的,风力有时忽大忽小,所产生的电力质量差,不稳定的电压、频率会对电网造成难以预料的冲击,这是一个技术难点。另外不稳定的风能还不利于给用户稳定供能。供电公司会实时监测用户的用电数据,再通过用户的用电行为对发电量进行调节,因此这两者之间始终保持着一个动态平衡的过程。但实时的风力发电量是由当时的风速来决定的,无法人为进行调节,例如大半夜是用电需求量最低的时候,但此时风力可能很大,发出很多电,但用户并不需要,白天用电高峰期风却小了,用电又有缺口。光伏发电同样存在这样无法人为调节的问题。因此,在并入电网时,风电、光伏发电往往需要与火电、水电、核电等其它稳定的能源进行协同配合。

再次,风电机长期在自然环境中工作,日积月累经受太阳照射和风力吹拂,难免会有损坏。综合考虑经济收益,大费周章地建设风能发电,似乎并不是很划算。因此,风电在世界多国风靡一时过后慢慢归于沉寂,现在甚至有一些国家逐渐放弃了风力发电,并指其为“垃圾电”。

此外,沿海风力发电会对沿海生态环境产生一些负面影响。风电机的存在会影响鸟类的迁徙,发电有噪声也会影响海洋动物的活动。如果海上风机之间的间距过小,会影响渔船活动、渔业养殖以及船舶在海上的航线,甚至可能出现与渔业、海上交通业争夺空间的现象。

针对风电的这些短板,科研人员想出了一些办法来应对:对风资源进行监测、预测,采用智能手段对风力发电进行控制,尽量弥补“垃圾电”短板。研制采用热塑性树脂材料制作叶片,如果研制成功,当叶片废弃时就变成了了可回收垃圾,可以再次循环利用生产新的叶片。在策划风电机的布局时,尽量避开候鸟迁徙的路线,控制风电机的建造间距,最大化减少对自然活动的伤害。

我国的风力发电趋势

我国地大物博,风能资源亦极为丰富。据了解,我国可开发利用的风能储量约有10亿kw,其中,陆地上的风能储量约有2.53亿kw。经过多年的发展,我们研发出了优良的风力发电设备,优化了建造技术,使得建设成本降低了不少。所以,在我国发展风力发电是完全可行的,利大于弊。

实际发展状况是:在“双碳”大背景下,在相关政策的大力支持下,风电的市场规模持续扩大,技术进步不断加快,发电成本大幅下降。根据国家统计局在2021年2月28日发布的数据,截止到2020年末,全国发电装机容量为220058万千瓦,比上年末增长9.5%。其中并网风电装机容量为28153万千瓦,同比增长了34.6%。由此可见,我国的风力发电的装机容量和在全国发电中所占据的比重,均有大幅提升。相信在多方共同努力下,中国必将早日迈进“风电强国”!

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