如何有效利用风能并做到风电的并网及消纳

2016-09-14 09:48 [风能] 来源于：风电运维作者：风电运维

导读：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

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%。

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。

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，成了着名的风车之国。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。

（编辑：韩语）