風能:清潔能源的最大潛在機會

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向Wed Mar 03 2021 提供最新信息

如今,風能僅提供了全球能源總供應量的0.8%。 在本章中,我們將探討我們可以做些什麼來增加這一比例。 但在此之前,讓我們探討一下風力發電的工作原理。

地球寶寶和雨傘

風能是如何運作的?

風能被收集時是什麼形式?


風力來自大型風力渦輪機,它將風的動能轉化為電能

大多數渦輪機具有兩個或三個葉片,當風從特定角度擊中它們時,它們被設計成會旋轉[o,p]。 然後,這些葉片旋轉一個轉子,該轉子為發電機提供動力以產生電力[pa,pb]。

風力發電要多少成本?

陸上風(渦輪機在陸地上)是我們擁有的最便宜的可再生能源形式之一,在某些情況下,它甚至比化石燃料的能源更便宜[g,ffa]。

該價格預計在未來會進一步降低。 到2030年,全球陸上風能的平均成本很可能會從2018年的0.06美元/千瓦時降至0.03-0.05美元/千瓦時

什麼會使風能變得更便宜?[ffa,bbd,gga]


隨著我們建造更多的渦輪機,建造它們的成本就會下降[ffa,bbd,gga]。 這是因為有一種叫做規模經濟的東西:大量的產品建造成本(例如設計),只需支付一次,無論我們生產多少。 因此,我們生產的產品越多,它們的平均價格就越便宜[gga,hh]。

風力發電也越來越便宜,因為每個渦輪機發電的電量增加了。 這是由於技術的改進。

改善風力渦輪機?

我們需要看兩個重要的數字:

額定功率:黨風速較快時,渦輪機會產生更大的功率,對嗎? 是的,正確。 但是在某些時候,這種情況會停止,更快的風不會帶來更多的能量。 這一點稱為額定功率,它越高越好。

風力渦輪機的額定功率

功率:這是指渦輪機以其額定功率 運行的時間比例。 如果我們在風力很小的地區建造渦輪機,它將很少達到其額定功率。 因此,它的容量係數會很低。 目前,陸上風力渦輪機僅以34%的功率運轉

陸上風電功率

風能將無法為我們提供穩定的能源供應,直到我們增加這個數字[kk,s],除非我們花費大量金錢找到一種方法來存儲多餘的能量,以供風不吹的時候(使用)

考慮到所有這些,讓我們看看如何增加這些數字。

越大越好-增加額定功率

近年來,風力渦輪機一直在變得越來越大[q,bba]。 下圖顯示了過去20年中美國渦輪機的直徑的增加情況:

渦輪直徑在美國隨時間的變化

這種增長意味著,風力渦輪機現在平均可以產生更多的電力

是什麼阻止我們使風力渦輪機變得更大?[bbc,cca]


雖然大型渦輪機的建造成本較高,但它們也能產生更多的能量,所以從長遠來看,它們更便宜

然而,現在的葉片變得如此巨大,以至於從工廠運輸刀片變得越來越困難。 這意味著我們必須在現場建造渦輪機,這可能會更加昂貴。 更大的渦輪機也會受到來自風更大的阻力,因此需要用更堅固的材料建造,這可能很難生產

當然,如果因為風力太慢,渦輪機很少以這種功率運行,那個增加渦輪機的額定功率並沒有多大意義。 對此我們能做什麼呢?

風力能可靠嗎? 增加功率!

我們如何增加風力渦輪機的容量係數? (請記住:容量係屬描述了它在滿功率下運行的頻率。同樣重要的是:更可靠的風能意味著更可靠電力)[e,dd]


一般而言,海上的風比陸地的風更快且更穩定[e,dd]。因此,在海上建造風力渦輪機(稱為離岸渦輪機)可以在不佔用陸地空間的情況下更穩定地產生更多電力[e,dd,ha]。

陸上與離岸

高處的風也更強且越恆定,所以建造更高的渦輪也有類似的影響。 但是,與更大的渦輪機一樣,這需要堅固的材料,目前這種材料更昂貴

那麼,我們還能如何收穫這種高的風能呢?

空中風力——以航行方式獲得更高的容量係數?

高空風力發電 是一套捕獲大氣層高處的極強風力的技術

傳統風能與風箏的發電潛力

其中一項技術涉及到放風箏以捕獲70-450m高的風能。 下面是它的工作原理[hw1,hw2]:

  • 風箏被連接到長電纜上,長電纜被纏繞成一個線圈連接至地面。
  • 風箏被引導者飛走,拉動電纜,並解開線圈,以產生能量。
  • 一旦線圈完全解開後,風箏就會被調節,這樣就可以用纜繩把它絞回去,使用的能量比它飛出去的時候少。
風箏電力

要使這項技術在商業上可行,還需要做更多的研究,但是這樣做可能會使風力發電的容量係數從35%提高至60%

那麼環節成本怎麼樣呢?

你認為關於風力發電的四個主要問題是什麼?[nn,ob,oc,w,birds4]


對風力渦輪機的擔憂

讓我們逐一講解。

視覺影響:通過將風力發電場放置在偏遠地區和近海,可以減少這種影響。在可能的情況下,運營商可以讓當地社區參與新農場的規劃,甚至擁有新農場的所有權[v,own1,own2,own3,own4,own5]。

噪音:更改葉片的形狀會略微降低其發出的刺耳聲音。通過使用更安靜的齒輪或在渦輪機頂部周圍安裝隔音罩,也可以降低渦輪機本身的機械噪音[ob,w]。

無線電波:風電場會干擾無線電波[oc,x]。這會影響附近船隻和飛機的雷達導航系統[oc,x]。我們需要找到方法來訓練現在的雷達系統,以識別來自渦輪機的信號,和/或用雷達吸收材料 建造新的渦輪機

鳥類可能會因與旋轉的葉片相撞而被殺死,但是避免在鳥類數量較多的地區建造渦輪機可以減少這種影響[birds4,birds7]。如果附近有稀有物種,也可以通過暫停渦輪機來保護鳥類。對於海上風電場,可以調整渦輪機的高度以減少與海鳥的飛行重疊。

佔地

大型風力渦輪機可以產生大量電力,但它們也佔用大量空間[oo,pp]。 一個3.4平方公里的核電廠所產生的電力與344平方公里的土地上的風力渦輪機所產生的電力一樣多。這就是說, 如果我們使用風力渦輪機之間的空間,比如說用來種植食物,我們將減少超過90%的實際“損失”的土地!

風電場用地要求

風電場漂浮在海洋中

一種顯而易見的減少風力渦輪機用地的方法是在離岸建立它們。

我們已經看到,海上風電場可以具有更高的額定功率和利用率,但它們的安裝和維護成本也更高[bbg,ha]。 也就是說,規模經濟和需求增加可能意味著將來會出現更多的海上風電場[h,i,j]。

當今的海上風力渦輪機只能在靠近海岸的淺陸架上建造。 但是這些地方僅佔海洋的10%,這限制了可用於建造風電場的空間數量。 另外,與深海相比,大陸架上的風更慢且穩定性更低

為了解決這個問題,工程師正在研究浮動風力渦輪機。它們簡單地使用大型電纜固定在海底,並且可以安裝在幾乎任何深度

浮體式風力發電機

這項技術的一些實驗正在全球範圍內進行。 例如,自2017年以來,一個浮動風電場一直以30MW的額定功率運行在蘇格蘭沿海地區[tt,tta],並且以高達65%的功率運行,在8.2m高的波浪下倖存! 那不是很了不起嗎?

結論

大型風力渦輪機可產生大量清潔能源,而且重要的是,便宜的能源。 這是很好的,但是它並不能有所幫助除非電力供應穩定。

在本章中,我們已經看到,提高渦輪機的功率是提高風力發電穩定性的最佳機會。

這在一定程度上幫助了我們,但不幸的是,人類仍然無法控制天氣。 因此,為了大規模使用風能,我們需要大量的能量存儲來彌補,以彌補風俗不夠的情況。

水力發電是一種廉價的 可靠的可再生能源,這是下一章的主題!

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