如何有效利用风能并做到风电的并网及消纳

编者按：如果天不再蓝、电不够用，未来人类该如何选择?为了解决全球能源紧张和环境污染问题，大力发展清洁能源已成为缓解能源瓶颈的有效途径。利用清洁能源发电，能够减少对传统能源的消耗和对环境的污染，使我们的生活更加健康、节能低碳。 风吹绿电来 ——如何有效利用风能 不必说文人墨客笔下“春风又绿江南岸”“柳絮池塘淡淡风”所呈现的充满诗情画意的风，单只讲为人类传递信息的风筝、提供动力的风车和风帆，都是人类有效利用风的杰作。风能相对于传统的化石能源，是一种清洁能源，利用风能的最好途径就是将风能转化为电能使用。本期，就和你讲讲风能的特点，以及人们是如何利用风能发电的。 1、风是如何形成的? 风的能量主要来自于太阳能，太阳的辐射给地球上的空气加热时，地球大气受热并不均匀，温度高的地方空气上升，于是在地表形成了低压;温度低的地方空气下降，在地表形成了高压。高压和低压之间形成气压梯度，空气从高压区向低压区流动，就形成了水平运动的风。 2、风按照强度分类，可以分为哪几级? 你一定在天气预报中听到过类似这样的说法，“渤海风力6~7级转4~5级”。这里所说的“级”就是按照强度对风的分类，称为“蒲福风力等级”。它把风按照风速分为从0~12共13个等级，数字越高，风速越快，风中所携带的能量越大。 为了方便记录，人们还给这13个等级的风分别起了名字：0级为无风，1级为软风，2级为轻风，3级为微风，4级为和风，5级为清风，6级为强风，7级为疾风，8级为大风，9级为烈风，10级为狂风，11级为暴风，12级为飓风。 3、风能的特点是什么? 我们来看看风能的特点：首先，风能的蕴量巨大。太阳辐射到地球的能量中，有2%转化为风能，这可是一个非常庞大的数字。 地球上的风能约为27400亿千瓦，其中可以利用的约200亿千瓦，这个数量有多大呢?它是地球上可开发利用的水能总量的10倍!全世界每年燃烧煤炭得到的能量，还不到风能在同一时间内提供给地球能量的1%。 风能最厉害的地方还不仅限于此。风能是可再生的，几乎可以说是取之不尽、用之不竭的。另外，风能是清洁能源，现如今人们使用的风能利用技术不会造成空气污染。 然而有效地利用风能可并不简单，摆在人们面前的困难重重。 第一，风功率密度低，也就是说风能虽然大，但是很难集中利用。为什么说风能多，但不集中呢?如果我们利用化石能源，开采一个煤矿或者油田就行了;如果利用水能，在合适的地方修个水电站就可以了。风能四处皆是，很难把它们集中利用。因此需要选好风电场场址，形成规模化利用。 第二，风能是不稳定的，一阵风大，一阵风小，几乎没什么规律，让人很难掌控。 第三，风能的分布很不均匀。要想利用好风能肯定需要很多技术手段。 4、我国的风能主要分布在哪些地区? 度量一个地方风能资源是否丰富，我们常用“风功率密度”这个概念，它的单位是“瓦/平方米”。 如果我们把风能资源的多少画在中国地图上，就会见到一个很有意思的画面：西北、东北、华北、东南地区都是风能资源丰富的地方，中原地带和西南、东南部分地区的风能资源贫乏。 我国风能资源总的技术可开发利用量为7亿~12亿千瓦。蒙东、蒙西、新疆哈密、甘肃酒泉、河北坝上、吉林西部、江苏沿海、山东沿海等地区是我国风能资源最丰富的地区，50米高度3级以上风能资源潜在开发量约18.5亿千瓦，占全国陆上风能资源的77.7%。 5、人们是如何利用风能发电的? 风力发电的基本原理简单来说，就是将风的动能转变为机械能，再将机械能转变为电能。 具体来说，就是风吹过风车桨叶时在桨叶正反面形成压差，驱动风轮旋转，将风的动能转变为风轮的机械能。发电机在风轮的带动下旋转发电，将机械能转变为电能。实现这一能量转换的设备为风力发电机组。 风力发电机组的功率是衡量风力发电机组发电能力的指标，功率越大，则发电能力越强。风电机组在达到额定功率之前，其输出功率和风速的立方成正比，因此风速是风能资源的关键因素。 但是，人们从风中提取的能量最多只能是它的59.6%，一般情况下要小于40%。 小知识：风能利用的历史 人们很早就注意到风能是一种非常好的能源，而且一直在寻找各种有效利用的方法。在几千年之前，古埃及人就发明了风帆，他们在船上安上风帆，借助风力使船航行。中国在明代之后，开始普遍使用风帆驱动水车灌田。 18世纪，荷兰曾利用近万座风车将海堤内的水排干，成了著名的风车之国。这种风车在欧洲大陆很普遍，是机械能的主要来源。可是后来，蒸汽机、电动机等高效的新兴机械产品出现了，古老的风车显得又慢又笨，于是被纷纷弃之不用。 风能重新被规模利用，是1973年发生石油危机以后，美国、西欧的一些国家为寻求替代化石燃料的能源，利用计算机、空气动力学和材料科学等领域的新技术研制出现代风力发电机组，加之人们越来越意识到常规化石能源对环境的污染，于是积极开发清洁、可再生的能源。风能作为一种很好的清洁能源，如今越来越受到人们的重视，并被大规模开发利用。 链接：我国风电的发展历程 我国在20世纪50年代后期开始风力发电研究工作。1986年，中国最早的风电场——马兰风电场的3台机组并网运行。 2006年1月1日，《中华人民共和国可再生能源法》正式实施，中国风力发电进入大规模发展阶段，装机规模持续迅猛增长。 2009年突破1000万千瓦，2012年突破5000万千瓦，取代美国成为世界第一风电装机大国。 截至2015年2月底，我国并网风电装机容量突破1亿千瓦，达到10004万千瓦，继续稳居我国第三大发电类型和世界风电装机首位。我国已成为全球风电装机增长速度最快、新增风电装机容量最大的国家。 风吹绿电来 ——如何做到风电的并网及消纳 上期科普版介绍了人们是如何有效利用风能的，本期再来和你讲讲风电建设者是如何为风电场选址的，风电并网对电网会产生哪些影响，以及如何确保风电的消纳。 1、风电机组由哪些部分组成? 从外形看，风力发电机组由风轮、机舱、塔架组成。 风轮。风轮一般由2~3个桨叶装在轮毂上组成，是风力发电机组接收风能的部件。我们平时看到那个像风车一样的东西，其实就是桨叶，它就像水中划船用的桨一样，桨叶越大，从风中获取的能量也就越多。目前，风电场的风力发电机组大多采用3个桨叶，其特点是运行平稳、效率高。制作桨叶的材料通常是玻璃纤维，但是随着桨叶的不断加大，还需要既能减轻桨叶质量，又能满足强度与刚度要求的复合材料，如碳纤维、竹纤维、高强度玻璃纤维。 机舱。机舱内有齿轮箱、发电机、控制系统等关键设备，负责将风轮的动能转换成电能。 塔架。风力发电机组需要通过塔架将其置于空中，以获取更多的风能。塔架内通常装有梯子，以便工作人员沿梯子进入塔架顶端的机舱进行检修操作。 2、风电场如何选址? 选择风电场的场址，是对一个较大区域的风能、气象条件、电网、交通、地质、周围环境等因素和条件综合考察后，选择一个风能资源丰富、最有利用价值的小区域的过程。要综合考虑以下几个方面的因素： (1)风能的质量。风能的质量不仅包括风能的多少，即年平均风速高、风功率密度大、可利用小时数等，还包括风的一些特性，如风向基本稳定、风速变化小等。 (2)气象条件。在与风打交道时，气象条件尤为重要。勘测一处风电场，要了解这个地方的温度、湿度、气压等气象学信息。此外，风电场一定要尽量避开那些气象灾害频发的地区。这些气象灾害包括强台风、龙卷风、雷电、沙暴、覆冰、盐雾等。 (3)地理条件。风力发电机组的队列要讲究按地形“排兵布阵”，风电场的选址也需要结合大量地理因素。首先要注意地形和地表植被。此外，建设风电场也需要尽量避开地质灾害较多的地方，比如地震带、火山频发的地域。 (4)其他因素。除了“天时地利”，建设风电场还需要充分考虑到“人和”的因素。选择靠近电网的区域建设风电场可以有效降低成本，也减少了电能损耗。风电场应远离人口稠密的地方，以避免风力发电机组噪声、风力发电机组损坏时的易发危险给人们带来的影响。风电场的选择还需要考虑尽量少破坏地表植被，尽量不侵占野生动物的巢穴区，并尽量避开鸟类的飞行路线。 3、风电场的发电机组是如何排布的? 通过对地形和风能的研究，人们为风力发电机组编排了各种队形。风力发电机组排布时，通常呈“梅花阵”排列。“梅花阵”是针对比较平坦、风向相对单一地区设计的阵列，它的整体形态为矩阵式分布，各排之间相互平行，但每两排间是相互错位的。这样做是为了减小风力发电机组之间的尾流干扰。“田字阵”和“圆形阵”都是为应对多个风向并存的情况设计的。 4、风电并入电网，对电网有何影响? 风是一种自然现象，风速与风向会随机不断变化，以致造成风电的频率、电压不稳定。而风电场大都采用了并网发电的模式，也就是将风电并入一个电网。如果一个电网中的风电比重过大，那么提供的电能质量就会受到影响，这样会使我们家庭使用的电压不稳定，以致灯泡一会儿亮，一会儿暗，或导致一些电器无法正常工作，严重时会导致整个电网瘫痪。因此，现在科研人员都在研究如何将风电变得更稳定。 5、如何确保风电的消纳? 近年来，我国风力发电进入了大规模发展阶段。风电高速发展也带来了并网和消纳难题。那么，如何确保风电的消纳呢?专家建议，要统一协调各种类型的电源规划，在风电场建成之前就规划好如何并网、如何消纳;电网建设应该走在风电开发之前，加快风电送出工程建设，提高风电外送能力;还要注重加强风电优先调度，挖掘系统调峰能力;每年冬季供暖期，优化风电配套线路检修计划，优化供热机组调度，努力增加风电消纳空间。此外，还要加快建设以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强智能电网，加大风电消纳范围和外送力度，实施风光水火电打捆外送，在全国范围优化配置和消纳。 6、为何要开展大规模海上风力发电? 众所周知，海面上的风能资源比陆地上丰富，海上很少有静风期，能更有效地利用风力发电机组的发电容量。海上的风速随高度的变化小，不需要很高的塔架。而且，海上没有复杂的地形对气流的影响，因此减小了风对风力发电机组的疲劳损耗，可延长其使用寿命。另外，海上风电不占用宝贵的陆地资源，且适合安装大型机组。目前，很多国家都在发展大规模海上风电场，海上风力发电已成为风电的发展趋势。我国有漫长的海岸线，有着丰富的海上风能资源。国家能源局2010年指出，要大力推进海上风力发电基地建设。