风能:也许是清洁能源的最佳机会

2 一分钟阅读

更新于: 2020年12月14日13:25:44 格林尼治标准时

今天,风能只占全球能源供应总量的0.8%。 在本章中,我们将看看我们可以做些什么来增加这个比例。但在这之前,让我们来探索一下风能是如何运作的。

Image of 地球宝宝和伞

地球宝宝和伞

风能是如何运作的?

风能来自较大的 风力涡轮机,它将风的动能转化为电能

大多数涡轮机有两到三个叶片,其设计是为了在风从特定角度撞击的时候旋转起来。 然后这些叶片会转动一个转子,让发电机能够发电

风能需要的费用是多少?

陆上风力(位于陆地的涡轮机)是我们拥有的最便宜的可再生能源之一。 而且在某些情况下,它比化石燃料的能源更便宜

这个价格预计会在将来进一步减少。 到2030年,全球陆上风能平均成本可望下降到0.03-0.05美元/千瓦时 - 低于2018年的0.06美元/千瓦时

在我们建造更多涡轮机时,建造这些涡轮机的成本会降低。 这是由于一种叫做经济规模的东西:许多构建产品的成本(例如设计)只需要支付一次, 不论我们构建多少个。 因此,我们生产的产品越多,平均下来它们就会变得更加便宜

风能变得更加便宜,也因为每个涡轮机产生的能源产量已经增加。这是因为技术改进。

改善风力涡轮机?

我们需要查看两个重要的数字:

额定功率: 当风速度更快时,涡轮机会产生更多的电力,对吗? 是的。 但到某个点时这个趋势会停止,更快的风不会导致更多的能源。 这个点被称作额定功率,这个值越高越好。

Image of 风力涡轮机的额定功率

风力涡轮机的额定功率

容量系数: 这是涡轮机以其额定功率运行时的时间分量。 如果我们在一个几乎没有风力的区域建造涡轮机,这种涡轮机将很少达到其额定功率。因此,它将具有较低的容量系数。目前,陆上风力涡轮机仅以34%的容量系数运行

Image of 陆上风能的容量系数

陆上风能的容量系数

在我们增加这个数字之前,风能将无法为我们提供稳定的能源供应, 除非我们花费大量的钱,找到在没有风的情况下储存过剩能量的方法。

考虑到所有这一切,让我们来看看如何能够增加这些数字吧。

越大越好 - 提高额定功率

近年来,风力涡轮机逐渐变大。 下面的图像显示了美国涡轮机的直径在过去20年中是如何增加的:

Image of 随时间演进的美国涡轮机直径

随时间演进的美国涡轮机直径

这个成长意味着风力涡轮机现在平均能够产生更多的能量

虽然较大的涡轮机建造成本较高,但它们能生产更多的能源,因此从长远来看它们会更便宜

然而,叶片现在变得如此庞大,以至于从工厂运输出去变得更加困难。这意味着我们必须在现场建造涡轮机,这可能更加昂贵。 较大的涡轮机也有更大的风力, 因此,需要用较强的材料来建造,而这些材料可能很难生产

当然,假设因为风过于缓慢,它很少在这个功率运转,增加涡轮机的额定功率并不意味着什么。 那么我们在这方面能做些什么呢?

能让风能变可靠吗?增加容量系数!

一般而言,海风比陆上的风速度更快且更持续。 因此,在海上建造风力涡轮机(称为离岸涡轮机)可以更持续地产生更多的能源

Image of 陆上与离岸

陆上与离岸

越高的地方,风力也更强大并更加恒定,所以建造更高的涡轮机也会产生类似影响。 然而,如同较大的涡轮机一样,这需要目前价格较高的强硬材料

因此我们还能如何收获这种高风能?

空中风能—让我们驶向更高的容量系数?

空中风能 是一套技术,在大气层中捕捉高强风

Image of 常规风力与风筝发电潜力

常规风力与风筝发电潜力

其中一种技术涉及放飞风筝以捕获70-450米高的风能。这里解释它如何运作

  1. 风筝被连接到长电缆上,长电缆被缠绕成一个接地线圈。
  2. 引导风筝飞走,拉动电缆并解开线圈以产生能量。
  3. 一旦线圈被完全拆除,风筝将被调整,以便它能够在电缆上卷回来,使用的能量低于其飞出去产生的能量。
Image of 风筝电力

风筝电力

要使这项技术在商业上可行,还需要进行更多的研究。 但这样做可能会将风能容量系数从大约35%增加到60%

那么环境成本呢?

Image of 关于风力涡轮机的疑虑

关于风力涡轮机的疑虑

让我们来逐一说明。

视觉冲击: 可以通过将风场设置在偏远地区和离岸地区来减少这种问题。 在可能的情况下,经营者可以让当地社区参与新风场的规划,甚至让他们享有新风场的所有权

噪音: 更改叶片的形状可能可以略微减小它们发出的嗖嗖声。 还可以通过使用安静器具或在涡轮机顶部建造声波外壳来减少涡轮机本身产生的机械噪音

无线电波: 风场可能会扰乱无线电波。 这可能影响附近船只和飞机的雷达导航系统。 我们需要设法培训我们目前的雷达系统,以识别涡轮机发出的信号, 和/或使用 雷达吸收材料构建新的涡轮机。

可能在撞到转动中的叶片时被杀死,但避免在鸟类数量高的地区建造涡轮机可以降低这种影响。 如果附近有稀有物种,也可以通过暂停涡轮机来保护鸟类。对于离岸风场,可以调整涡轮机的高度,以减少与海鸟飞行的重叠

土地利用

大型风力涡轮机可以产生大量的能源,但也占用了许多空间。一个3.4平方公里的核电厂跟344平方公里全是风力涡轮机的土地产出的电力是一样的。 也就是说,如果我们利用风轮机之间的空间的话, 例如种植食物,我们将能把为了风电实际“损失”的土地减少90%以上

Image of 风场区域的要求

风场区域的要求

漂浮在海洋上的风场

我们已经看到离岸风力涡轮机可能有较高的额定功率和容量系数,但它们也需要更高的成本来安装和维护。 尽管如此,规模经济和需求的增加可能意味着将来会出现更多的离岸风场

今天离岸风力涡轮机只能在浅大陆架海岸附近建造。但这只占海洋的10% ,也就限制了建造风场的空间。 此外,大陆架的风速比深海的风速更慢且不稳定

要解决这个问题,工程师正在研发 浮动风力涡轮机,它是单纯用大型电缆锚定在海底,而且几乎可以在任何深度安装

Image of 浮动风力涡轮机

浮动风力涡轮机

好几场针对这种技术的试验正在全球各地进行着。 例如,自2017年以来,一个浮动风场在苏格兰沿海持续以30兆瓦的额定功率、容量系数高达65%地运转着,撑过8.2公尺高的海浪!这不是超棒的吗?

结论

大型风力涡轮机能够生产大量清洁且重点是廉价的能源。 这很棒,但除非电力供应稳定,否则无济于事。

在本章中,我们看到提高涡轮机容量系数是我们提高风能稳定性的最佳机会。

这有助于我们达到某种程度,但难过的是,人类仍然无法控制天气。 因此若要大规模使用风能, 当风力不够快时,我们需要大量的能量储存来补足

廉价 而且 可靠的可再生能源是水力发电 - 下一章的主题!

下一章