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风力发电是垃圾电?西方陷入反风电浪潮我国偏偏要大力发展?

发布时间:2022-08-16 09:57:46    来源:yaboapp官网 作者:yaboapp入口

  近年来,随着世界对能源安全、生态环境、气候变化等问题的日益重视,加快发展风电产业已成为国际社会推动能源转型发展、应对全球气候变化的普遍共识和一致行动。

  据资料显示,我国的风力发电起步于20世纪80年代,当时国家通过科技项目陆续支持研制过离网型和并网型风电机组,但绝大部分未实现批量生产。 1986年5月,我国第一座示范性风电场马兰风电场在山东省荣成市并网发电,揭开了国内风电发展的大幕。 此后20年的时间,我国风力发电处于不停地探索和实践推广阶段。 现在风力资源丰富的地区如新疆、甘肃、青海等地,已经成为发展风电的热土。 ,至2021年底,我国风电装机量已连续12年稳居全球第一。 风力发电已经成为继火电、水电之后的第三大主力电源,累计装机容量已超过了3亿千瓦。

  中国风电的超高速发展,也为风机产业带来了绝佳机遇。 中国现在已成为全球最大的风电装备制造业的基地,也是整机和零部件的出口基地。 据武钢介绍,目前全球排名前10的风电装备制造企业中,中国占据了6位,中国制造的大型风力发电设备已经发往全球六大洲的40多个国家。

  从以前的试水风电到今天的全球第一,中国的风电增长了1150多倍。 习总书记曾多次在相关的国际会议上代表中国政府向全世界承诺,到2030年前后,中国的二氧化碳排放将达到峰值,并且要争取尽早达峰; 到2020年和2030年,非化石能源占一次能源消费总量的比重要分别达到15%和20%左右。 这一目标激励着中国可再生能源行业产生了巨大的进步。

  伴随着 全球各国“碳达峰”和“碳中和”进程的加快,风电作为可再生能源的核心主体之一,天然具有不可替代的禀赋优势和规模性优势,因此,扩大以风电为代表的清洁能源的消纳比例、构建以新能源为主体的新型电力系统,是我国实现“双碳”目标的必由之路。

  风电是实现“双碳”目标的主力军,如果未来没有颠覆性的新技术突破,电力系统“脱碳”将主要依靠风电和光伏发电。 同时,由于风电成本已经与传统化石能源发电持平甚至更加经济,具有进一步降本潜力,风电的大规模应用会降低全社会用能成本,实现更经济的能源转型。

  目前我国发电的方式主要有火力发电、太阳能发电、风力发电等,其中风力发电是较为绿色的发电方式,但是在西欧等地区却出现杜绝使用风力发电的现象。

  当前,世界环保形势越来越严峻,由于人类大规模利用化石燃料,导致生态圈内的碳逐渐累积,造成温室效应和全球气候变暖,进而引发气候系统失衡、极端天气增加、海平面上升和物种灭绝等一系列后果。联合国警告称,即使从现在开始完全停止使用化石燃料,全球平均气温到2050年时还会上升1.5℃。

  为此,巴黎气候协定制定了严格的减排方案,将减排指标摊派给各个国家。尽管这份方案存在很大的不公平,但还是有许多国家参与到减排工作中来。目前,受限于科学技术水平,完全停用化石燃料很不现实,只能通过发展新能源改善能源结构,减少对传统化石燃料的依赖,达到减少碳排放的目标。

  我国是减排措施执行最到位的国家,近年来一直强调节能减排,大量关停高耗能、高污染的粗放型生产企业,拿出大笔财政补贴风能、光伏等新能源。其中,风电的建设和发展成就最大,风电产能连续12年蝉联全球第一。数据显示,2021年全球风电装机容量96600兆瓦,其中我国占比50.91%,排名其后的美国仅13.58%。也就是说,我国在2021年风电装机容量比世界之和还要多。

  但是,风电在倡导减排呼声最大的欧洲却频频遇冷,2021年风电装机容量最多的英国,装机占比也才2.78%,法国、德国等传统工业强国却对风电不屑一顾,一些欧洲国家甚至集体抵制风电,认为它是“垃圾电”。

  反对者列举了一系列缺点证明风电是“垃圾电”。最大的缺点是其间歇性和不连续性。风电的原理是通过风能推动叶片转动,然后带动转子切割磁感线产生电能。由于风力的断续性,导致风电输出也有明显的间歇性,在接入电网时电压不稳,带来很大安全隐患。这就需要进行调峰输入,无形中增加了使用成本。

  其次,风电设施的建设成本也很高,发电机、叶片、塔筒以及建设风电站需要的土地、运输、施工都需要投入巨额成本,而且风电大多数建设在山区风口地带,建设成本高于水电和火电,需要很长时间才能实现盈利,前期排放并不比火电少。

  欧洲抵制风电最根本的原因是,欧洲陆上风能很少,大部分位于海上。英国利用北海方向的风能建成了全球最大的海上风电站,装机容量在全球占比28.9%,高居世界第一。欧洲大陆上的国家既没有条件建设海上风电站,也没有发展陆上风电的先天条件,建设风电站还存在大量占地、扰民等问题。因此,风电在欧洲遇冷,甚至被称为“垃圾电”。

  而我国却拥有发展风电的诸多有利条件:西北地区有大片无人定居的荒漠,不适合放牧和耕种,却蕴藏了丰富的风能资源,不存在占地问题;特高压远程输电技术先进,能将风电从富集资源区调配到负荷中心,缓解资源和负荷错位问题;国家补贴力度大、长线投资,风机越造越大,成本在周期内逐渐降低。

  总体来说,风电在当前还存在很多缺陷,无法取代水电和火电,但从长远来看,风电对能源结构转型有不可替代的地位,随着时间的推移和技术的进步,风电在未来有可能成为最主要的能源供给方式。

  一是受自然风力制约,发电具有间隙性、波动性特点,关键时刻指望不上。有研究表明,由于受自然风力具有间隙性波动性的特点,所以风电发电也具有间隙性波动性特点,这使得风电发电的受阻系数高达95%,有效装机容量只有5%。

  这与煤电的受阻系数平均只有8%、有效装机容量高达92%,供热机组受阻系数平均15%、有效装机容量85%,水电受阻系数平均40%、有效装机容量60%相比,完全不在一个层面。

  西方国家电力圈的人认为,风力发电成本本来就很高,简单的风机造价可达上千万,使用寿命却较短,回收成本却需要10年,而且发电设备安装、维护都困难。若装机有效利用不够,就是浪费,不划算。

  风电发电的波动性,也会导致输入不稳定,变一端(用户端)不可控为两端(用户端和发电端)不可控,对电网平稳运行形成冲击,也增加了调峰的难度。

  风电也存在资源与负荷区域错位的矛盾。在大规模、长周期储能技术成熟性、安全性、经济性未获得实质性突破之前,风电装机规模越大,缺电断电的风险也就越大。

  美国、欧洲和中国出现的大面积拉闸限电,也从一个侧面表明,风电发电不稳定,潜藏着极大风险。

  二是风电噪声污染大,影响居民生活,风车叶片旋转也阻碍鸟类迁徙。西方国家风力发电基地多建在居民区附近,又往往是大量风车一起运作,这使得风车转动时产生的噪音严重影响居民的生活。

  所以,许多西方国家认为风电并非真正的清洁、环保电力,将风电称为“垃圾电”,反对风电的使用,认为以目前技术与市场的实际来看,风电难以成为化石能源或者说煤电的替代者。

  就因为,任何能源有优点也有缺点,不能因为有缺点就抹煞优点,片面否定。有缺点的风电有其存在的价值,应该成为能源消费世界第一的我们国家能源体系中的一个有力的支撑。

  第一,能源安全要求电源多元化,目前风电占比还不算太高,传统能源尤其是煤电有力帮助风电的消纳,这使得风电波动性带来的风险在可控范围内。

  第二,油气对外依赖程度过高,是中国能源安全的短板,化解这块短板,实现减少碳排放目标,都要求加快电能替代,而发展风电是替代的一个可行方案。

  第三,风电的弊端可以解决,比如将风电基地建在远离人烟的偏远地区可以减少噪声污染,扩张产能可以降低成本增强风电的竞争力,建设特高压和分布式发电有利于化解资源与负荷错位问题。

  但是,发展风电,避不开一个最现实的问题,那就是风电的波动性间隙性,必然带来供电不稳定,这个风险必将随着风电的发展越来越大。

  在大规模储能技术无法实现根本性突破的背景下,除了借助煤电,还有更好的选择吗?没有。

  煤电的灵活性,以及可清洁利用的优点,决定了煤电和煤炭是中国能源安全保障体系不可缺少的“压舱石”!这不以个人的意志为转移。

  当今,全球大规模修建风电场。风力发电机就像一座座高耸的“空气搅动机”,它使局地风速明显减小,而大气层结稳定度则决定着风电场产生增温或降温效应。

  撒哈拉沙漠面积900多万平方公里,这里地广人稀,看起来一片荒芜。然而荒芜背后却蕴藏着巨大的宝藏。如果将这个宝藏充分开发出来,这一大片区域都可能发生巨大变化。

  这个宝藏就是可再生能源。有研究表明,如果在此区域大规模修建风电场或光伏发电场,其产生的电能是当前全球每年消耗电能的四倍多。但更令人意想不到的是,此举还可以使该区域的降水量翻倍,增加植被覆盖率,而植被生长又将进一步增加降水,形成良性循环。但这样的良性循环并不一定会发生在每个地方,如今,在风力发电的潜力被普遍看好之后,越来越多的研究指向了更深一层的问题——大规模修建风电场会对气候产生怎样的影响。

  从直观上看,风电场群产生的最直接影响就是会改变风速。“如果你去过风电场就会发现,风力涡轮机的旋转叶片很大,一般为几十米长,有的甚至超过百米。当风吹过叶片时,由于叶片横截面的形状上下不对称,风在通过叶片上方的时候流速大,下方的时候流速小。这就会导致叶片上方的压强小,下方的压强大,这种压力差会产生升力,令叶片旋转。”中国气象局专业气象服务首席专家、湖北省气象服务中心副主任陈正洪说。他在最近发表的文章《近20年来风电场(群)对气候的影响研究进展》中,对国内外风电场群对气候影响的相关研究成果进行了总结。

  可以想见的是,风电场其实相当于一道有缝隙的“屏障”,因此当风通过时会降低风速。有研究者利用数值模拟方法,在900平方公里的范围内分别设置1、9、36个风电场,计算相应风速在不同位置的变化,最后发现风电场效应使得风速明显衰减:进入风电场的风速是8-9米/秒,风电场最大衰减后风速只有5米/秒,在20公里以外风速开始回升。

  陈正洪说,“风力发电机运行过程中,会吸收气流的动量,增加地表的摩擦力,这会导致风电场内部及下游地区的风速衰减,并且风速的恢复需要一定的距离。风速衰减的影响范围为 5-60公里,随着风电场规模的增加和扩大,一般风电场内部风速可减小8%-16%,并且随着环境风速的增加而减小。”

  风力发电机就像一座高耸的“空气搅动机”,叶片在不停地搅动上下方的空气,因此在垂直方向上会加强空气的流动,这就会对温度造成影响。“在大气层结稳定的情况下,上层的空气温度更高,下层的更低,在叶片的搅动下,上层的空气被带到下面,导致下层的空气温度升高。”陈正洪说,“另外,由于风电场内部和下游地区的风速减小,如果这个区域的下垫面恰好又比较潮湿的话,蒸发就会减弱,从而导致温度上升。”

  目前大多数研究得出的结果都是风电场具有地表增温效应,并且这种效应夜间强于白天,夏季强于冬季,尤其以夏季夜间的增暖效应最为强烈。不同规模大小的风电场可使其地表温度增加0.18℃-0.7℃。当然,也有发现降温效应的。这主要取决于近地层大气层结的稳定度,不同的稳定度造成风电场对近地层气温产生或上升或下降效应。

  至于风电场对降水量的影响,目前的研究还相对较少。风电场的设置改变了近地层的感热和潜热通量以及动量和风速,从而会间接改变降水量和云量。如前所述,在撒哈拉沙漠中大规模修建风电场可以增加降水量。但在具体研究中需要综合考虑热量和水分传输、风速变化、地形等多种因素才能知道局地降水量最终是增加还是减少。

  如果未来风能发电达到一定规模,比如占全球总发电量的10%甚至更高,那么这将对全球气候产生何种影响?

  研究者假定到2100年全球使用风能占总能源的10%以上,即在全球大约5800万平方公里的陆地上(相当于全球陆地面积的39%)设置风电场,沿海水深小于200米的地区(1000万平方公里左右)也设置风电场,考虑风机设置高度不同,旋转叶片直径不同,以及风机间距不同,做多组试验,从而产生不同的风电量,模式各运行60年。结果发现,陆地风电场设置使全球陆地年平均气温升高0.15℃,而沿海风电场试验中全球年平均气温没有变化。

  IPCC第五次评估报告结果显示,在模拟的多个排放情景下,相对于1850年至1900年,21世纪末期(2081年至2100年)全球地表温度变化可能超过1.5℃。可见,风电场对全球造成的变暖效应远低于人类活动排放的温室气体造成的变暖效应,但仍不可忽视。

  当前,全球能源系统正在发生深刻变革,随着可再生能源技术的发展,风力发电的成本将进一步下降,最终可与传统能源相抗衡。陈正洪认为,风能利用是减少碳排放的关键,我们需要加强影响机理的研究,找出主要的影响因子,构建更加完善的模型,同时根据影响原理寻求可行的低影响风电开发方案。谭老师地理工作室综合整理

  首先得先从风力发电的原理说起,从能量的角度来说,风力发电本质上就是将风能转化为机械能,然后再将机械能转化为电能。

  风吹动发电机的叶片,带动增速机运转,从而使发电机内部源源不断地产生电能。

  生成的电能通过变压器升压,运输至国家电网,这样就可以供给全国各地的人们使用。

  不过实际上的发电过程远远比原理要复杂得多,首先要让整个发电装置工作,就需要有风的带动。

  风的强度很大程度影响了发电量,与风直接接触的叶片的表面积也和发电量密不可分。

  一般情况来说,风越大、与风接触的叶片表面积越大,产生的发电量会更多,基于这些理论,现在新代的发电机在叶片上装有传感器与减速电机。

  当风速过小时,传感器传输信号至电脑,电脑检测到信号便让自身电力系统带动叶片旋转,通过增大叶片迎风面积增加叶片转速。

  无论外界风速大小,我们能观察到叶片的转速都控制在很慢的速度,而且有时我们明明没有感受到风的存在,叶片却仍能转动。

  其实,这是因为现在的大型风力发电机高度都在百米以上,我们在地面可能感受不到风,但是“高处不胜寒”,在发电机顶部的叶片可能就会被风带着转了。

  但是有时我们能明显感受到强风,但是叶片的转速依然能慢,这是因为机舱内部有转速限制器在调节。

  转速限制器时时刻刻控制叶片的转速,使得叶片在外界强风的带动下依然保持缓慢的转速。

  这样就可以保证叶片的转速保持在相对稳定的范围,可以延长叶片的使用年限。也可以降低机舱内的温度,减少轴承的损耗。

  风力发电的污染,首先就是叶片的原材料污染,叶片采用的是特殊的铁质材料,外表一般包裹有钢化玻璃材料。

  这种钢化玻璃材料是不可再利用资源,很多专家就是看到了这点认为风力发电不够环保。

  但是针对现代工业环境,这一点点资源的损耗其实没办法和其它工业废料产生的环境污染相比,也没办法和传统的火力发电、核发电等方式产生的污染比,所以风力发电其实还是比较环保的。

  那么为什么制造发电机不采用更为普遍的铁、铝资源呢?这样不就可以解决资源问题了吗?

  这其实是考虑到金属疲劳的情况,因为叶片一直保持高强度运动的状态,如果采用金属类材料制作叶片,会导致叶片的使用年限不够长等问题。

  用钢化玻璃材料则可以大大延长叶片的寿命,不过西方考虑的点确实也是有一定的合理性,所以我国的科学家也不断在研究、合成新的材料去尝试顶替钢化玻璃,以减少资源的损耗。

  风力发电机还有一个隐患,那就是其在发电过程中会不断产生低频声波,这样的声波会对人类和其它动物产生伤害。

  对人类来说,如果长时间处于风力发电站附近,久而久之对听觉会产生影响,而一些鸟类或一些体型较小的动物经过风力发电机下方可能会直接死亡。

  为了解决这一个问题,我国大部分将发电机修在山上,以避免对人和动物造成伤害。

  经过近些年的发展,风力发电已经逐渐成为我国不可或缺的发电方式,虽然目前仍有材料等方面的问题需要改善,但是风力发电的污染已经被我国降至最低,至少目前已经是利远大于弊的发电方式。

  因而我国是可以放心发展风力发电的,且随着未来能源利用结构的变化,风力发电仍是我国必须坚定发展的道路。

  全球十个最大的风电场中有五个在美国运营。名单上有两个海上风电场,其余八个在陆上,按容量排名全球十大风力发电场。

  中国酒泉风力发电基地通过7,000台涡轮机发电。这使它成为世界上最大的风电场。在高峰容量时,该风电场能够产生令人印象深刻的20吉瓦。

  斋沙默尔风电场容量为1,600兆瓦。它是世界上最大的风电场排名第二。该风电场由Suzlon Energy开发,其特色是在印度拉贾斯坦邦斋沙默尔地区开发的不同风电场。

  Alta风能中心位于更大的加利福尼亚州克恩县的特哈查比市。该风电场可产生1,548MW的电力,其初始阶段于2011年投入使用。

  Muppandal风电场的容量为1,500MW,由印度泰米尔纳德邦Kanyakumari区的多个风力发电场组成。这些风力发电厂周围是贫瘠的土地,周围风速很高,为涡轮发动机运行提供良好的条件。

  美国牧羊人风电场位于俄勒冈州东部的阿灵顿附近,占地面积超过30平方英里生产845兆瓦,使其成为全球第5位。

  该项目位于美国德克萨斯州,占地400平方公里,其相距900英尺的627台风力涡轮机可生产781.5兆瓦。

  该风电场也位于美国德克萨斯州,容量为735.5MW,在2005年至2006年之间分四个阶段进行了调试建设。

  美国德克萨斯州的摩ri座山风电场,由NextEra Energy Resources运营。第一阶段于2007年投入使用,最终阶段于2008年产生662.5MW的组合功率

  沃尔尼扩展海上风电场位于爱尔兰海,总容量为659兆瓦。风力发电场位于坎布里亚郡的沃尔尼岛海岸附近19公里处,在爱尔兰海中占地145平方公里。它安装了40台MHI Vestas 8MW风力发电机和47台Siemens Gamesa 7MW风力发电机。

  英国伦敦阵列海上风电场它覆盖英国肯特郡沿海100平方公里的区域,装机容量630兆瓦,使用175台风力涡轮机,它距泰晤士河口不远,是海上风电领域的领先者。