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风能

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多座风力发电机组成风力电厂
多座风力发电机组成风力电厂
德国一处风力发电机。从旁边的树可知其约略的大小。
德国一处风力发电机。从旁边的树可知其约略的大小。
中国新疆的风力发电场。
中国新疆的风力发电场。

风能(英语:Wind power, wind energy)是指所产生的能量,即大规模气体流动所产生能量以及其应用,主要应用为风力发电,系利用带动风力发动机运转;另可用于非电力应用,例如帆船风车等。在电力应用普及以前,人们就懂得利用风能,例如在公元前人们就已经用帆船横渡大海,另外会利用风车来磨碎谷物或抽水。

风力发电厂由多组风力发电机组成,并连接到输电系统中。岸上风力发电是一种低成本的发电方式,在某些地区,发电成本比传统发电还低(例如:燃煤发电燃气发电及核能发电)[1][2][3][4]。但是岸上风力发电场会影响风景,并且比起其他发电厂需要更多的土地面积[5][6]。同时也必须建设在野外或是乡村地区,这也可能导致农村工业化(industrialization of the countryside)[7],或造成栖息地破坏[6]离岸风力发电比岸上风力发电更强、更稳定,同时在视觉上的影响更小,但建造和维护的成本则更高。小型的岸上风力发电厂可以作为一种微型发电,为电网提供一些电力,或是为隔离于电网之外的偏远地区提供电力来源[8]

由于风能量丰富、分布广泛、碳排放相较于火力发电低甚多,为许多国家积极推动的永续能源以及可再生能源技术之一。并且对比于燃烧化石燃料,风能对环境的影响较小。现今风能已为全球电力供应的主要来源之一,根据BP(BP公众有限公司)的估计,2018年,全球风力发电占全球总发电量4.8%[9],并为欧盟提供了14%的电力[10]

然而,风是一种间歇性可再生能源(Variable renewable energy),无法根据需求而增减发电[11]。虽然每年的总发电量变化不大,但可在一天或是数天内有很大的变化。因此,风力发电必须与其他的电力来源或储存设施一起使用,才能够提供稳定的电源。随着地区的风力发电增加,可能需要更多像是燃气发电可快速调整输出的电厂来备用或稳定电网,或是需要升级电网[12][13]。但在许多的状况下,可以使用电力管理技术来解决这些问题,像是调度不同的再生能源与不同地理分布的发电机组,向邻近区域的进出口电源、存储能量等方法[14]。此外天气预报可以为风力发电可能的变化做准备,进而减少须要的备用发电容量。[15][16]

风能原理

估计地球所吸收的太阳能有1%到3%转化为风能,总量相当于地球上所有植物通过光合作用吸收太阳能转化为化学能的50到100倍。上了高空就会发现风的能量,那儿有时速超过160公里(100英哩)的强风。这些风量最后和地表及大气间摩擦,而以各种热能方式释放。

风的成因

  • 太阳照射极地赤道的不均匀使得地表的受热不均匀。
  • 地表温度上升的速度较海面快。
  • 大气中同温层如同天花板的效应加速了气体的对流。
  • 季节的变化。
  • 科氏力

风能利用与风力发电

空气流动具有的动能称风能,空气流速越高,动能越大。用风车可以把风的动能转化为有用的机械能,而用风力发动机可以把风的动能转化为电力,其原理为透过传动轴,将转子(由以空气动力推动的扇叶组成)的旋转动力传送至发电机。

风能是风的能量转换成可利用的能量形式,例如使用风力涡轮机产生电力、风车产生机械动力、风泵抽水排水,或风帆推动船。在现代,涡轮叶片将气流的机械能发电机转为电能

风能应用方式与优缺点

风能应用方式

内蒙古草原上的风力发电机
内蒙古草原上的风力发电机

优点

  • 风能设施日趋进步,大量降低生产成本,是再生能源中相当具有经济竞争力及发展潜力的;在许多情况下,风力发电成本已经足以与传统发电相比,甚至在一些地方(如美国中西部),风力已经比燃煤发电便宜。
  • 风能设施多为立体化设施,在适当地点使用适当机器,对陆地和生态的破坏较低。
  • 风力发电是可再生能源,空气污染及碳排放较少,其他环境成本也低。
  • 风力发电可以是分散式发电,没有大型发电设施过于集中的风险。
  • 风力发电机可依需求卸载,增加电网稳定性。

缺点

位置香港南丫岛的风力发电站
位置香港南丫岛的风力发电站
  • 风力发电在生态上的问题是可能干扰鸟类,如美国堪萨斯州松鸡在风车出现之后已渐渐消失。目前其中一个解决方案是海上离岸发电,离岸发电成本较高但效率也高;另一个解决方案则是小型垂直风力发电,这种风力发电可以架设在自家屋顶及后院。
  • 风场成排的风力发电机组可能会对地区性和季节性迁徙的鸟类,在利用栖息地、繁殖地与觅食地之间产生干扰,致使可利用的栖地减少甚至碰撞伤亡,尤其是对偏好在海岸栖地、族群量高密度的鸻形目(Charadriiformes)水鸟冲击更大。[17]
  • 在部分地区,风力发电的经济性不足,许多地区的风力为间歇性,更糟糕的情况是如台湾陆地在电力需求较高的夏季及白日却是风力较少的时段。虽然说仍可满足一定需求,但大量使用风力发电必须要等待储能系统的发展、或采取离岸发电。
  • 大型风力发电需要大量土地兴建风力发电场,才可以生产比较多的能源。
  • 进行风力发电时,中、大型风力发电机会发出庞大的噪音,所以设立地点必须远离住家,或使用小型低噪音机种。

风力发电

风力发电技术

风能可以通过风车来提取。当风吹动涡轮时,风力带风车动绕轴旋转,使得风能转化为机械能。而风能转化量直接与空气密度、涡轮扫过的面积和风速的三次方成正比。风吹过风机涡轮(Wind Turbine)而使得风速减弱,这也限制了涡轮可提取的能量。

风能利用技术的不断革新,使这种丰富的可再生能源正重放异彩。据估计,二三十年内,风力发电量将要占欧盟总电力供应约30%左右。

技术分类

风力发电机又可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机,垂直轴风力发电机又分为几种,譬如Darrieus英语Darrieus wind turbine风机Gorlov风机

转换效率

1919年,德国物理学家贝兹英语Albert Betz认为,不管如何设计涡轮,风机最多只能提取风中59%的能量,此称为贝兹极限定律英语Betz's law(Betz Limit)。现今正在运作的风力发电机所能达到的极限约为40%。[18]大多数风力发电机实际效率范围从20%到40%[19]

风力发电的细长(高展弦比)的风机叶片,在低速有比较高效率。

风速与发电量计算

2002年位于科罗拉多的李大农场设施所测风速发生的频率(红色)和产生的能量(蓝色)。直方图显示被测量的数据,而曲线是相同的平均风速分布(Rayleigh模式)。能源是风直接通过一个直径100米的圆圈而计算的。一年通过这个圈子的总能量为1,540万度。
2002年位于科罗拉多的李大农场设施所测风速发生的频率(红色)和产生的能量(蓝色)。直方图显示被测量的数据,而曲线是相同的平均风速分布(Rayleigh模式)。能源是风直接通过一个直径100米的圆圈而计算的。一年通过这个圈子的总能量为1,540万度。

因为自然界中的风速常变化,并且给定地点所得的潜势风能(Potential Wind Energy)并不代表风力发电机在该处实际可以产生的能量。为了估计在某一特定位置的风速频率,必须使用风速几率分布函数来分析该地的风速历史数据。风力发电最常用的风速几率函数为韦伯分布(Weibull Distribution),可较准确地反映在各个地点每小时的风速几率分布。韦伯分布中形状参数 k=2 时便是瑞利分布(Rayleigh Distribution),瑞利分布的另一参数可由平均风速来换算,因此常被作为一个较粗略但更简单的几率模型。

因为地表附近,高度愈高,风速愈大。而风能是与风速的三次方成所正比,所以风机高度愈高,发电量愈多,因此现今有许多风机的高度都超过100米。

因为自然界中的风速并不稳定,所以无法像使用燃料的火力发电厂一样,可以依照用电需求来调整发电量。因此风力发电整年发电量的计算方法与其他能源不同。安装良好的风力发电机实际的发电量可达40%,跟一般使用燃料的发电厂的涡轮机相比(1000kW的风力发电机),每年可发电量最多可到400kW。虽然风能输出的功率是难以预测的,但每年发电量的变化应在几个百分比之内。而在地球表面一定范围内,经过长期测量、调查与统计得出的平均风能密度的概况,通常以密度线标示在地图上。

因风能不能持续产生,常以抽水蓄能电站或其他方法来储存风能以保持电力能持续供应,这大约增加25%费用。

风力发电发展历史

但数千年来,风能技术发展缓慢,没有引起人们足够的重视。但自1973年第一次石油危机以来,在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下,风能作为新能源的一部分才重新有了长足的发展。风能作为一种无污染可再生的新能源有着巨大的发展潜力,特别是对沿海岛屿,交通不便的偏远山区,地广人稀的草原牧场,以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆,作为解决生产和生活能源的一种可靠途径,有着十分重要的意义。即使在发达国家,风能作为一种高效清洁的新能源也日益受到重视,比如:美国能源部就曾经调查过,单是德克萨斯州南达科他州两州的风能密度就足以供应全美国的用电量。

2003年美国的风力发电成长就超过了所有发电机的平均成长率。自2004年起,风力发电更成为在所有新式能源中已是最便宜的了。在2001年风力能源的成本已降到20世纪6、70年代时的五分之一,而且随着大容量发电机的使用,下降趋势还会持续[20][21]

2016年全球电力来源
煤天然气水力核能风力石油生质能太阳能光伏其它Circle frame.svg
  •   煤: 9,594,341 GWh (38.3%)
  •   天然气: 5,793,896 GWh (23.1%)
  •   水力: 4,170,035 GWh (16.6%)
  •   核能: 2,605,985 GWh (10.4%)
  •   风力: 957,694 GWh (3.8%)
  •   石油: 931,351 GWh (3.7%)
  •   生质能: 462,167 GWh (1.8%)
  •   太阳能光伏: 328,038 GWh (1.3%)
  •   其它: 238,081 GWh (0.9%)
2016年全球总发电量:

25,081,588GWh

资料来源:IEA[22]

全球发展现况

风力发电自80年代开始受到西方各国重视以来,至今全球风力发电量每年快速成长,在2016年已成为全球各类电力来源第5大[22]</ref>。

全世界以风力产生的电力在2008年共约2,192亿度,当年风力供应电力占全世界用电量的1%,在2014年时全球风力发电量已增长到占全球总发电量3%,2018年已占全球总发电量4.8%[9]。风能对大多数国家而言还不是主要的能源,但在2000年到2015年之间已经成长了二十四倍。

全球风力发电相关统计数据

全球风力装置容量
全球风力装置容量
全球风力发电统计 [23]
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
装置量(MW) 17,724 24,521 31,531 39,086 47,403 58,969 74,413 91,894 116,512 151,656
发电量(GWh) 31,419 38,390 52,331 62,916 85,116 104,086 132,859 170,686 220,569 275,929
占全球发电量比 0.20% 0.24% 0.32% 0.37% 0.48% 0.56% 0.69% 0.85% 1.08% 1.36%
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017
装置量(MW) 182,901 222,517 269,853 303,113 351,618 417,144 467,698 514,798
发电量(GWh) 341,565 436,803 523,814 645,721 712,407 831,826 959,468 1,122,745
占全球发电量比 1.58% 1.96% 2.30% 2.75% 2.98% 3.42% 3.85% 4.39%
全球风力发电装置量前十国(2015年)[24]
国家 风电装置量

百万瓦(MW)

 中华人民共和国 145,362
 美国 74,471
 德国 44,947
 印度 25,088
 西班牙 23,025
 英国 13,603
 加拿大 11,205
 法国 10,358
 意大利 8,958
 巴西 8,715
其它地区合计 67,151
全球总计 432,883
欧盟风力发电量前十国(2015年)[25]
国家 风电发电量

百万千瓦时(GWh)

 德国 87,975
 西班牙 48,380
 英国 38,010
 法国 21,100
 瑞典 16,500
 意大利 14,589
 丹麦 14,100
 葡萄牙 11,878
 波兰 9,830
 荷兰 7,237
其它成员国合计 33,914
欧盟总计 303,513
全球风力发电装置量前十国(2019年)[26]
国家 风电装置量

百万瓦(MW)

 中华人民共和国 236,402
 美国 105,466
 德国 61,406
 印度 37,506
 西班牙 25,224
 英国 23,340
 法国 16,643
 巴西 15,452
 加拿大 13,413
 意大利 10,330
全球总计 621,421

各国政策目标

2020年各国再生能源占发电量比例之目标[27]

国家 2014情况 2020目标
 瑞典 63.3% 62.9%
 奥地利 70.0% 70.6%
 丹麦 48.5% 50%(风电占用电量比)
 法国 18.3% 27%
 西班牙 37.8% 38.1%
 德国 28.2% 35%
 意大利 33.4% 26%
 荷兰 10.0% 37%

各国鼓励政策

目前世界各国的可再生能源推动制度,主要可分为[28]

  • 固定电价系统(Fixed-price Systems):由政府制订可再生能源优惠收购电价,由市场决定数量。其主要之方式包括:
  1. 设备补助(Investment Subsidies):丹麦德国西班牙等在风力发电发展初期,皆采行设备补助的方式。
  2. 固定收购价格(Fixed Feed-in Tariffs):德国丹麦西班牙
  3. 固定补贴价格(Fixed-premium Systems)。
  4. 税赋抵减(Tax Credits):美国。
  • 固定电量系统(Fixed Quantity Systems):又称可再生能源配比系统(Renewable-quota System,美国称为Renewable Portfolio Standard英语Renewable portfolio standard),由政府规定再生能源发电量,由市场决定价格。其主要之方式包括:
  1. 竞价系统(Tendering Systems):英国爱尔兰法国
  2. 可交易绿色凭证系统(Tradable Green Certificate Systems):英国瑞典比利时意大利日本

两种推动制度之用意为形成保护市场,透过政府的力量让可再生能源于电力市场上更具投资效益,而其最终目的为提升技术与降低成本,以确保可再生能源未来能于自由市场中与传统能源竞争。

风力发电厂

风力发电厂(Wind Farm)是在同一地点的一群风力发动机用来产生电力。一个大型风力发电厂可能包括几百个独立的风力涡轮机,并覆盖数百平方英里的扩展区域,但在涡轮机之间的土地仍然可用于农业或其他用途,但是许多机种都有噪音过大的问题、因此必须远离住家。风力发电厂既可以位于在陆地上,也可以位于在海洋上。

一间大型的风力发电厂可以由连接输电系统的数百台风力发动机组成。

风能相关发展

偏远地区经济与观光发展

位于西班牙东北部阿拉贡拉穆埃拉,总面积为143.5平方公里。1980年起,新任市长看好充沛的东北风资源而极力推动风力发电。近20年来,已陆续建造450座风机(额定容量为237 MW),为地方带来丰富的利益。当地政府并借此规划完善的市镇福利,吸引了许多人移居至此,短短5年内,居民已由4,000人增加到12,000人。拉穆埃拉已由不知名的荒野小镇变成众所皆知的观光休闲好去处。
另外位于法国西北方的布安原本以临海所产之蚵及海盐著名,2004年7月1日起,8座风力发电机组正式运转,这8座风机与蚵、海盐三项,同时成为此镇之观光特色,吸引大批游客从各地涌进参观,带来丰沛的观光收入。

参见

参考文献

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  2. ^ Neslen, Arthur. Wind power is cheapest energy, EU analysis finds. The Guardian. 2014-10-13 [2020-06-01]. ISSN 0261-3077 (英国英语). 
  3. ^ Walwyn, David Richard; Brent, Alan Colin. Renewable energy gathers steam in South Africa. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2015-01-01, 41: 390–401. ISSN 1364-0321. doi:10.1016/j.rser.2014.08.049 (英语). 
  4. ^ Twele, Jochen (编). Windkraftanlagen: Grundlagen, Entwurf, Planung und Betrieb 4. Vieweg+Teubner Verlag. 2005. ISBN 978-3-322-99446-2 (德语). 
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  10. ^ Wind energy in Europe in 2018 (PDF). EWEA. 2019-05-02 (英语). 
  11. ^ What are the pros and cons of onshore wind energy?. Grantham Research Institute on Climate Change and the Environment英语Grantham Research Institute on Climate Change and the Environment. 2018-01 (英语). 
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  14. ^ Armaroli, Nicola; Balzani, Vincenzo. Towards an electricity-powered world. Energy & Environmental Science. 2011-08-26, 4 (9): 3193–3222. ISSN 1754-5706. doi:10.1039/C1EE01249E (英语). 
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外部链接

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