随着各国政策的倾斜和科技的不断进步,世界风力发电发展迅速,表现出了广阔的前景。未来数年世界风力发展的趋势可表现为以下几个方面:
1.风力发电从陆地向海面拓展
海面的广阔空间和巨大的风能潜力使得风机从陆地移向海面成为一种趋势,相对于陆上风电场,海上风机结构的基础昂贵,电网接入集成成本高,风机结构安装成本高,安装过程受天气环境的制约,且运行、维护实施困难。但是,近几年来随着新技术的开发和新型材料的使用,海上风机的风机叶片、塔架结构和基础结构等各方面的研究已经相对比较成熟。目前只有少数国家建立了海上风电场,但预计今后几年,海上风力发电将会大规模的起飞。海上风力发电的发展主要集中在欧洲。据统计,目前欧洲已建成的海上风电场的总装机容量达3.5GW,欧洲风能协会预测,到2020年可达40GW。图6.6为海上风机的实物图。
图6.6 海上风机的实物图
2.风力发电从地面向高空拓展
高空风力发电的基本设想是利用高空的风来发电,而不是像传统的风力发电机架设在地面或近海的杆塔上,依靠叶片旋转发电。已经在探讨高空风力发电的方式包括空中飞行、地面发电和空中飞行、空中发电。
(1)空中飞行,地面发电
把本身不发电的轻量级飞行器(例如风筝、滑翔伞、小飞机等)系在缰绳上像放风筝一样放飞到高空,利用飞行器对缰绳的拖拽,带动地面的机械装置转动从而发电。
(2)空中飞行,空中发电(www.daowen.com)
把轻型风力发电机搭载在轻量级飞行器上(例如小飞机等)放飞到高空,边飞行边发电,然后通过带金属芯的缰绳把电能传送回地面。此类型下,还有一种方案是,像热气球一样空中静态停留,并搭载发电机发电。
图6.7为高空风机示意图。简单讲,随着高度增加,平均风速会增加,而风能储量以近三次方的速度增加。高空的风能储量更丰富、更稳定,高空蕴含风能之大是目前近地面的高度无法比拟的。每一个高空风力发电机和传统的风力涡轮机相比,可以产生几乎两倍的电力。
3.风力发电从旋转向非旋转发展
大多数正在旋转的风力发电机带有60m长的叶片,这种清洁能源还存在着很多问题,其中一个比较残忍的问题就是:慢慢旋转的叶片会杀死大量的鸟类。西班牙Vortex Bladeless公司制造出了没有叶片的风力发电机——Vortex,共有五个主要部分,分别是基座、杆、发电系统、调谐系统和桅杆。Vortex的桅杆由玻璃纤维和碳素纤维组成,当风来临时,Vortex的桅杆便会开始随风振荡,像一个不倒翁,并获取产生的能量。图6.8为涡流风机实物图。
图6.7 高空风机示意图
图6.8 涡流风机实物图
涡流风机进行发电的原理为流体动力学中的卡门涡街效应,指的是在一定条件下的定常来流绕过某些物体时,物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡,经过非线性作用后,形成卡门涡旋。一旦该涡旋足够大,它们可能会导致结构振荡。Vortex恰恰是利用了这种空气动力学的不稳定,将振荡最大化并进行机械能量的捕获,进而利用该机械能进行发电。与传统风车对比,在产生相同能量下,涡流风机的总成本要少40%,包括各项安装、维护成本。同等占地面积下,传统风车只能架两个,而涡流风机可架四个,能量收集率大大升高。最关键的是,涡流风机的无叶片设计让它不会杀死鸟类,而且它还是全静音的,因为它会在一定频率下振荡,整体噪声不会超过20Hz。
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