空氣流動(dòng)帶來(lái)的可再生能源
北方的冬季，室外寒風(fēng)呼嘯，吹在人臉上就像刀割一樣。在屋子里，人們享受著電暖氣帶來(lái)的溫暖，喝著咖啡機(jī)煮出的熱騰騰的咖啡，悠閑地看著電視。你或許不曾想到，這兩個(gè)場(chǎng)景可以用一樣事物統(tǒng)一起來(lái)，它就是風(fēng)力發(fā)電。本周，記者應(yīng)中國(guó)節(jié)能公司之邀，參觀了位于河北省張北縣的風(fēng)力發(fā)電站，得以深入了解風(fēng)力發(fā)電這個(gè)新能源的未來(lái)之星。
1景觀 丘陵上的白色巨塔
張北縣地處河北省西北部，內(nèi)蒙古高原南緣的壩上地區(qū)，縣境地形呈高原丘陵景觀。記者乘坐的大巴車(chē)開(kāi)進(jìn)這片土地，很快看到連綿起伏的丘陵上分布著數(shù)十座巨大的白色風(fēng)車(chē)，在風(fēng)中緩緩地旋轉(zhuǎn)著，狹長(zhǎng)的槳葉既像白鳥(niǎo)的翅膀，又像兔子的耳朵。同行的中節(jié)能風(fēng)力發(fā)電投資有限公司(簡(jiǎn)稱“中節(jié)能”)企劃經(jīng)理溫卿說(shuō)，這些是1500千瓦(1.5兆瓦)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。也就是說(shuō)，在滿負(fù)荷狀態(tài)下，這個(gè)大家伙每小時(shí)能發(fā)出1500度電，或者說(shuō)可以實(shí)時(shí)供應(yīng)1500個(gè)功率為一千瓦的電爐子發(fā)熱。張北的電網(wǎng)對(duì)風(fēng)力發(fā)出的電能的收購(gòu)價(jià)是0.54元一度。這樣算下來(lái)，風(fēng)車(chē)每轉(zhuǎn)一圈大約能發(fā)出兩元錢(qián)的電。
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風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片巨大，但和我們平常拿在手里玩的小風(fēng)車(chē)別無(wú)二致 |
這些1500千瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的扇葉長(zhǎng)達(dá) 30米，基部直徑可達(dá)一米。世界上風(fēng)力發(fā)電機(jī)由德國(guó)公司“Enercon”和“REpower”制造，最大功率可達(dá)6000千瓦(6兆瓦)，總高達(dá)到 198米，葉片直徑達(dá)到126米。和吊車(chē)、航母、巨型客機(jī)等其他巨型機(jī)械不同，風(fēng)車(chē)的造型極其簡(jiǎn)潔，和我們平常拿在手里玩的小風(fēng)車(chē)別無(wú)二致，以至于身處這里會(huì)讓人產(chǎn)生錯(cuò)覺(jué)，仿佛自己被縮小了很多倍，正看著旋轉(zhuǎn)的風(fēng)車(chē)玩具。
2歷史 風(fēng)力樂(lè)器是開(kāi)端
人類(lèi)利用風(fēng)能由來(lái)已久。在至少5500年前，人類(lèi)就已經(jīng)開(kāi)始用風(fēng)帆推動(dòng)船只前進(jìn)。已知最早的風(fēng)力機(jī)械是公元前200年，古希臘機(jī)械發(fā)明家亞歷山大城海倫(Heron of Alexandria)建造了第一個(gè)風(fēng)力裝置，一架通過(guò)風(fēng)力鼓動(dòng)活塞吹奏風(fēng)琴的機(jī)器。而第一個(gè)已知的實(shí)用的風(fēng)磨建造于公元7世紀(jì)伊朗的錫斯坦。在公元14世紀(jì)，荷蘭人開(kāi)始用風(fēng)車(chē)來(lái)為萊茵河三角洲區(qū)域排水。在1900年的丹麥，有2500座風(fēng)車(chē)用于泵水和磨面，大約產(chǎn)出30兆瓦的能量。 1887年，蘇格蘭人詹姆斯·布萊斯(James Blyth)首先用風(fēng)車(chē)給電池充電，1888年，美國(guó)克利夫蘭州建造了第一座風(fēng)力發(fā)電站，到了1908 年，美國(guó)已經(jīng)建了72座5千瓦到25千瓦的發(fā)電站，F(xiàn)代化風(fēng)力發(fā)電站的先驅(qū)是1931年前蘇聯(lián)在雅爾塔建造的風(fēng)力發(fā)電站，發(fā)電機(jī)塔高30米，最大功率 100千瓦。
風(fēng)能產(chǎn)生的原因是太陽(yáng)的輻射造成地球表面受熱不均，引起大氣層中壓力分布不均，從而使空氣沿水平方向運(yùn)動(dòng)，空氣流動(dòng)所形成的動(dòng)能稱為風(fēng)能。因此風(fēng)能是太陽(yáng)能的一種轉(zhuǎn)化形式，是一種可再生的自然能源。據(jù)中國(guó)氣象科學(xué)研究院初步探明，我國(guó)風(fēng)能總儲(chǔ)量達(dá)32.26億千瓦，居世界第一位。這個(gè)“32.26億千瓦”是潛在的裝機(jī)容量，如果說(shuō)最終到底能產(chǎn)生多少電能，就看地球文明能存在多長(zhǎng)時(shí)間了。
3優(yōu)點(diǎn) 可再生，無(wú)污染
風(fēng)力發(fā)電的原理和煤電、油電、水力發(fā)電沒(méi)有任何本質(zhì)不同，都是通過(guò)轉(zhuǎn)子能在定子中旋轉(zhuǎn)，做切割磁力線的運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，通過(guò)接線端子引出，接在回路中，便產(chǎn)生了電流。與另外幾種發(fā)電方式不同的是，風(fēng)力發(fā)電是通過(guò)風(fēng)推動(dòng)旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪，再由風(fēng)輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。
風(fēng)電的優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)。和煤、石油等化石能源相比，風(fēng)能是可再生能源，而且沒(méi)有絲毫環(huán)境污染和溫室氣體排放。和水力發(fā)電相比，風(fēng)力發(fā)電不用大規(guī)模改變環(huán)境；和生物質(zhì)發(fā)電相比，風(fēng)力發(fā)電幾乎不占用耕地；而和太陽(yáng)能相比，風(fēng)能發(fā)電技術(shù)簡(jiǎn)單，能量轉(zhuǎn)化率高，風(fēng)能的能量轉(zhuǎn)換率可達(dá)59%，相比之下，太陽(yáng)能只有18%。每當(dāng)出現(xiàn)能源危機(jī)，或者對(duì)排放有了新要求，人們都會(huì)把目光投向風(fēng)電。1973年發(fā)生石油危機(jī)以后，包括美國(guó)和歐洲諸國(guó)在內(nèi)的發(fā)達(dá)國(guó)家為尋求替代化石燃料的能源，投入大量經(jīng)費(fèi)，動(dòng)員高科技產(chǎn)業(yè)，利用計(jì)算機(jī)、空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域的新技術(shù)研制現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，開(kāi)創(chuàng)了風(fēng)能利用的新時(shí)期。2006年，我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電事業(yè)也開(kāi)始進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。
4器具 旋轉(zhuǎn)的“一家三口”
為了能把風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能，風(fēng)力發(fā)電機(jī)有“一家三口”———風(fēng)輪、機(jī)械部分和鐵塔。
風(fēng)輪是把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的重要部件。它由數(shù)只螺旋槳形的葉輪組成。當(dāng)風(fēng)吹向槳葉時(shí)，槳葉上產(chǎn)生氣動(dòng)力驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。槳葉的材料要求強(qiáng)度高、重量輕，目前多用玻璃鋼或其他復(fù)合材料(如碳纖維)來(lái)制造。除了常見(jiàn)的風(fēng)車(chē)式風(fēng)輪，現(xiàn)在還有一些垂直風(fēng)輪，s形旋轉(zhuǎn)葉片等，但應(yīng)用都不普遍。風(fēng)輪的設(shè)計(jì)包含有大量的材料技術(shù)和流體動(dòng)力學(xué)的技術(shù)，是顯而易見(jiàn)的高科技。
由于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速比較低，而且風(fēng)力的大小和方向經(jīng)常變化著，這又使轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定；所以，在帶動(dòng)發(fā)電機(jī)之前，還必須附加一個(gè)把轉(zhuǎn)速提高到發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的齒輪變速箱，再加一個(gè)調(diào)速機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，然后再連接到發(fā)電機(jī)上。雖然機(jī)械部分不像風(fēng)輪那樣顯眼，但其實(shí)造價(jià)是風(fēng)輪的兩倍以上，是最精貴的部分。
鐵塔是支承風(fēng)輪、尾舵和發(fā)電機(jī)的構(gòu)架。它一般修建得比較高，為的是獲得較大的和較均勻的風(fēng)力，又要有足夠的強(qiáng)度。鐵塔高度視地面障礙物對(duì)風(fēng)速影響的情況，以及風(fēng)輪的直徑大小而定，一般在6-20米范圍內(nèi)。為了讓風(fēng)輪能夠?qū)?zhǔn)風(fēng)向，還需要一套控制系統(tǒng)。1500千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)的鐵塔有十人環(huán)抱那么粗，耗費(fèi)很多材料，但造價(jià)卻比風(fēng)輪還要低。
【鏈接】
風(fēng)電機(jī)一身“高科技”
風(fēng)力發(fā)電機(jī)上體現(xiàn)了很多高新技術(shù)。風(fēng)機(jī)的槳葉既需要輕，又要結(jié)實(shí)，還要能夠盡量吸收風(fēng)的能量。比較高級(jí)的風(fēng)輪槳葉甚至可以調(diào)整角度，以適應(yīng)不同大小的風(fēng)力。冬天是風(fēng)力最豐富的一個(gè)季節(jié)，也是最冷的季節(jié)，所以低溫材料技術(shù)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)制造非常關(guān)鍵。
在海上修建風(fēng)力發(fā)電機(jī)是很好的辦法。但在海平面上修建風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要解決建造海上平臺(tái)的問(wèn)題，更重要的是海上的鹽霧對(duì)金屬的腐蝕性很大，所以海上風(fēng)力發(fā)電站的建設(shè)難度非常高。在我國(guó)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的國(guó)產(chǎn)化率已經(jīng)超過(guò)了80%，不過(guò)，減速齒輪裝置、槳葉控制系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備還是需要進(jìn)口。我國(guó)也有獨(dú)特的技術(shù)。一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪都用玻璃纖維復(fù)合材料制造，但浙江一個(gè)公司生產(chǎn)的風(fēng)輪用竹子纖維代替了玻璃纖維，比玻璃鋼材料重量減輕了 10%，出力反而提高了20%。
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