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第21章 风能的开发史及发展前景

风能是因空气流做功而提供给人类的一种可利用的能量。空气流具有的动能称风能。空气流速越高,动能越大。人们可以用风车把风的动能转化为旋转的动作去推动发电机,以产生电力,方法是透过传动轴,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。到2008年为止,全世界以风力产生的电力约有9410万千瓦,供应的电力已超过全世界用量的1%。风能虽然对大多数国家而言还不是主要的能源,但在1999~2005年之间已经增长了4倍以上。

风能利用历史

风是地球上的一种自然现象,它是由太阳辐射热引起的。太阳照射到地球表面,地球表面各处受热不同,产生温差,从而引起大气的对流运动形成风。据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2%转化为风能,但其总量仍是十分可观的。全球的风能约为2.74×109兆瓦,其中可利用的风能为2×107兆瓦,比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。

人类利用风能的历史可以追溯到公元前。中国是世界上最早利用风能的国家之一。公元前数世纪中国人民就利用风力提水、灌溉、磨面、舂米,用风帆推动船舶前进。到了宋代更是中国应用风车的全盛时代,当时流行的垂直轴风车,一直沿用至今。在国外,公元前2世纪,古波斯人就利用垂直轴风车碾米。10世纪伊斯兰人用风车提水,11世纪风车在中东已获得广泛的应用。13世纪风车传至欧洲,14世纪已成为欧洲不可缺少的原动机。在荷兰风车先用于莱茵河三角洲湖地和低湿地的汲水,以后又用于榨油和锯木。只是由于蒸汽机的出现,才使欧洲风车数目急剧下降。

荷兰的风车

数千年来,风能技术发展缓慢,也没有引起人们足够的重视。但自1973年世界石油危机以来,在常规能源告急和全球生态平衡被严重破坏的双重压力下,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和可再生的新能源有着巨大的发展潜力,特别是对沿海岛屿,交通不便的边远山区,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。美国早在1974年就开始实行联邦风能计划。其内容主要是:评估国家的风能资源;研究风能开发中的社会和环境问题;改进风力机的性能,降低造价;主要研究为农业和其他用户用的小于100千瓦的风力机;为电力公司及工业用户设计的兆瓦级的风力发电机组。美国已于20世纪80年代成功地开发了100、200、2000、2500、6200、7200千瓦的6种风力机组。目前美国已成为世界上风力机装机容量最多的国家,超过2×104千瓦,每年还以10%的速度增长。现在世界上最大的新型风力发电机组已在夏威夷岛建成运行,其风力机叶片直径为97.5米,重144吨,风轮迎风角的调整和机组的运行都由计算机控制,年发电量达1000万千瓦时。根据美国能源部的统计,至1990年美国风力发电已占总发电量的1%。瑞典、荷兰、英国、丹麦、德国、日本、西班牙,也根据各自国家的情况制定了相应的风力发电计划。如瑞典1990年风力机的装机容量已达350兆瓦,年发电10亿兆瓦。丹麦在1978年即建成了日德兰风力发电站,装机容量2000兆瓦,三片风叶的扫掠直径为54米,混凝土塔高58米,预计到2015年电力需求量的15%将来源于风能。德国1980年就在易北河口建成了一座风力电站,装机容量为3000千瓦。在英国,英伦三岛濒临海洋,风能十分丰富,政府对风能开发也十分重视,到1990年风力发电已占英国总发电量的2%。在日本,1991年10月轻津海峡青森县的日本最大的风力发电站投入运行,5台风力发电机可为700户家庭提供电力。

中国位于亚洲大陆东南,濒临太平洋西岸,季风强盛。季风是中国气候的基本特征,如冬季季风在华北长达6个月,东北长达7个月。东南季风则遍及中国的东半壁。根据国家气象局估计,全国风力资源的总储量为每年16亿千瓦,近期可开发的约为1.6亿千瓦,内蒙古、青海、黑龙江、甘肃等省风能储量居中国前列,年平均风速大于3米/秒的天数在200天以上。中国风力机的发展,在20世纪50年代末是各种木结构的布篷式风车,1959年仅江苏省就有木风车20多万台。到60年代中期主要是发展风力提水机。70年代中期以后风能开发利用列入“六五”国家重点项目,得到迅速发展。进入80年代中期以后,中国先后从丹麦、比利时、瑞典、美国、德国引进一批中、大型风力发电机组。在新疆、内蒙古的风口及山东、浙江、福建、广东的岛屿建立了8座示范性风力发电场。1992年装机容量已达8兆瓦。新疆达坂城的风力发电场装机容量已达3300千瓦,是全国目前最大的风力发电场。至1990年底全国风力提水的灌溉面积已达2.58万亩。1997年新增风力发电10万千瓦。目前中国已研制出100多种不同形式、不同容量的风力发电机组,并初步形成了风力机产业。尽管如此,与发达国家相比,中国风能的开发利用还相当落后,不但发展速度缓慢,而且技术落后,远没有形成规模。在进入21世纪时,中国在风能的开发利用上加大投入力度,使高效清洁的风能能在中国能源的格局中占有应有的地位。

风能的经济性

利用风来产生电力所需的成本已经降低许多,即使不含其他外在的成本,在许多适当地点使用风力发电的成本已低于燃油的内燃机发电了。风力发电年增率在2002年时约25%,现在则是以38%的比例快速成长。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最便宜的能源。在2005年,风力能源的成本已降到20世纪90年代时的1/5,而且随着大瓦数发电机的使用,下降趋势还会持续。

风能发电位于西班牙东北方Aragon的LaMuela,总面积为143.5平方千米。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237兆瓦),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4000人增加到12000人。LaMuela已由不知名的荒野小镇变成众所皆知的观光休闲好去处。

另法国西北方的Bouin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,同时成为此镇的观光特色,吸引大批游客从各地涌进参观,带来丰沛的观光收入。

台湾的苗栗县后龙镇好望角因位处滨海山丘制高点,早年就是眺望台湾海峡的好去处,近几年外商在邻近区域设置了21座高100米的风力发电机,形成美不胜收的景致。该公司在2003年,看中苗栗沿海冬天强劲东北季风,着手在后龙、竹南等地设立风力发电机,其中后龙成立了大鹏风力发电场,建置21座风机,发电总装置容量达4.2万千瓦,是目前全台容量最大的风场,2006年6月竣工启用后,俨然成为观光新景点,吸引不少人前往探访。好望角位于半天寮顶端,居高临下,向北可看到四五座风机,往南也可望见三四座风机,加上海线铁路从山下行经,面临宽阔的台湾海峡,风景相当引人入胜,也成为欣赏风力发电机最佳景点之一。

世界风能行业发展前景

德意志银行最新发布的研究报告预计,全球风电发展正在进入一个迅速扩张的阶段,风能产业将保持每年20%的增速,到2015年时,该行业总产值将增至目前水平的5倍。

从目前的技术成熟度和经济可行性来看,风能最具竞争力。从中期来看,全球风能产业的前景相当乐观,各国政府不断出台的可再生能源鼓励政策,将为该产业未来几年的迅速发展提供巨大动力。

根据预计,未来几年亚洲和美洲将成为最具增长潜力的地区。中国的风电装机容量将实现每年30%的高速增长,印度风能也将保持每年23%的增长速度。印度鼓励大型企业进行投资发展风电,并实施优惠政策激励风能制造基地,目前,印度已经成为世界第5大风电生产国。而在美国,随着新能源政策的出台,风能产业每年将实现25%的超常发展。在欧洲,德国的风电发展处于领先地位,其中风电设备制造业已经取代汽车制造业和造船业。在近期德国制定的风电发展长远规划中指出,到2025年风电要实现占电力总用量的25%,到2050年实现占总用量50%的目标。

而一直以来在风能领域处于领先地位的欧洲国家增长速度将放慢,预计在2015年前将保持每年15%的增长速度。其中最早发展风能的国家如德国、丹麦等陆上风电场建设基本趋于饱和,下一步主要发展方向是海上风电场和设备更新。英国、法国等国仍有较大潜力,增长速度将高于15%的平均水平。

德国海上风力电厂

目前,德国仍然是全球风电技术最为先进的国家。德国风电装机容量占全球的28%,而德国风电设备生产总额占到全球市场的37%。在国内市场逐渐饱和的情况下,出口已成为德国风电设备公司的主要增长点。

德国政府将通过价格补贴等手段支持该行业通过技术创新保持领头羊地位。德国将再次修订《可再生能源法》,将海上风电场入网补贴价格从每千瓦时9.1欧分提高到14欧分。

在中国,2006年国家发改委、科技部、财政部等8部门联合出台了《“十一五”十大重点节能工程实施意见》。依据十项节能重点工程的标准以及政府支持环保节能产业的政策导向,未来工业设备节能更新改造、建筑节能、节油及石油替代以及可再生能源这几大节能领域将获得快速发展。

风能资源则更具有可再生、永不枯竭、无污染等特点,综合社会效益高。而且,风电技术开发最成熟、成本最低廉。根据“十一五”国家风电发展规划,2010年全国风电装机容量达到500万千瓦,2020年全国风电装机容量达到3000万千瓦。而2006年年底,全国已建成和在建的约91个风电场,装机总容量仅260万千瓦。可见,风机市场前景诱人,发展空间广阔。

生态平衡

在自然界中,不论是森林、草原、湖泊……都是由动物、植物、微生物等生物成分和光、水、土壤、空气、温度等非生物成分所组成。每一个成分都并非是孤立存在的,而是相互联系、相互制约的生态系统。生态平衡是指在一定时间内生态系统中的生物和环境之间、生物各个种群之间,通过能量流动、物质循环和信息传递,使它们相互之间达到高度适应、协调统一的状态。

如果生态系统中的某一成分过于剧烈地发生改变,都可能出现一系列的连锁反应,使生态平衡遭到破坏。如果某种化学物质或某种化学元素过多地超过了自然状态下的正常含量,也会影响生态平衡。生态平衡是生物维持正常生长发育、生殖繁衍的根本条件,也是人类生存的基本条件!

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