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什么是风能?

或风来自哪里?

风能是由太阳能转化的。太阳以每小时174,423,000,000,000千瓦时的功率向地球辐射能量。地球被太阳不均匀地加热-赤道地区的大气比全球其他地区的大气受热快得多,干燥的陆地升温(和降温)比海洋快得多。地球的受热差异驱动了全球大气对流系统: 热空气比冷空气更轻,它上升到海拔大约10千米(6英里)的高度;然后从赤道地区(上空)向北方和南方运动,同时冷空气向较轻的热空气下方运动。 由于地球的自转,气流不会直接向正北和正南方向运动,而是在北半球和南半球做环流,热空气向顺时针方向环流,冷空气向逆时针方向环流。地表对气流会造成影 响,结果导致气压差异。风就是在趋于平衡的压力系统之间的空气运动。

 

据估量辐射到地球的太阳能中的1-2%会被自然地转化为风能。由哈佛大学主导的一个研究得出的结论是全球的风能发电站网络可以满足全世界所有人口的供电需要。

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风能的历史

利用风能是最早的生产能源的方法之一。自古以来人类就已经使用风车来碾磨丰收的农作物和抽水。在19世纪末期,由于电力的出现,基于经典风车技术的第一批现代风力涡轮机的原型诞生了。自那以后经历了很长时间,风能才作为一种严谨的和产生能源的商业方法被接受。

由 于70年代的石油危机和80年代的反核能运动,人们对替代能源和寻找新的既生态环保又经济可行的发电方法的兴趣加强了。那时候的风力涡轮机主要是为了研究 目的而建造,造价极其昂贵。在政府财政,国际化研究和基金项目,还有80年代诞生的研究机构的帮助下,用可再生方式发电的新方法将继续得到研究,开发和实 现。

研究机构比如德国风能研究所(DEWI)和丹麦研究机构
Risø,还有各种在风能领域的研究计划和国际合作团体,对专业的风能开拓者们在工业和技术的突破上起到了帮助作用。由于有了研究机构和风能开拓者们之间的紧密合作,国际化标准,严格的规范和越来越高效的设计被开发和实现出来,结果就产生了现代化的和商业上可行的风电机组。

1981年由于55千瓦风电站的开发,早期风能的高昂成本得到了显著降低。现在风能是在所有外部开销(比如环境破坏)全部被考虑在内的情况下最廉价的能源之一。

全球能源的主要部分逐渐由现代风力发电站来产生。德国是最大的风能市场之一,以第二大装机容量(2008年达到23,903兆瓦)而其次于美国。除了它们两个,西班牙,法国,丹麦,中国和印度也是风电的最大用户。

由于持续增长的产量,风能工业已经成为一个重要的在全球成长中的市场和经济要素。

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风能的未来

全球气候和环境专家一致 认为地球的大气在升温,而且我们的 资源正在枯竭。另外,所有在60,70年代建造的发电站都必须要替换。自从那些发电站诞生之后,政治和经济需求已经发生了巨大的变化;全球环境问题已不容 忽视。国际环境公约,比如京都议定书,它为了减少大气中的温室气体排放确立了具有法律约束力的条款,并且工业化国家达成一致要共同减少温室气体的排放。除 了国家的规范或气候条件,可再生能源的国际标准化应用越来越可能得到政策性的落实。风能工业有着乐观的前景。

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风能开拓者年表

查尔斯.F. 布若什 (1849-1929),美国电力工业的创始者之一。布若什在1887到1888年的冬天建造了一台机器,它被认为是第一台自动化的风电涡轮机。它有庞大 的尺寸,旋翼直径达到17米(50英尺)。144个叶片是用雪松木制造的。这个涡轮机工作了20年,并且为布若什的公寓大楼的蓄电池充电。尽管有这样的尺 寸,这台涡轮机仅仅产生    12千瓦的发电功率。

普尔.拉.卡瓦 (1846-1908),丹麦气象学家。拉卡瓦被认为是现代风电工业之父。他的第一个商业风力涡轮发电机机在第一次世界大战之后安装完成,那时候处在一个 燃料短缺的时期。他在日得兰半岛上建立了第一个风电研究中心,在那里他向风电工程们教授最早的风电课程,完成了第一个风洞实验,还出版了第一本关于风电的 杂志。

阿尔伯特.贝兹 (1885-1968),德国物理学家。作为哥廷根大学空气动力研究所主任,他创立了所谓的贝兹定律。这个定律是说:不论风力涡轮机的设计如何,最多只有 16/27(或者59%)的风动能可以转换为机械能。他的著作《风能和它在风车中的应用》出版于1926年,是那个时期一本讲解风能和风力涡轮机的好书。

帕麦尔.考斯里特.普特南 (1910-1986),美国工程师。普特南在1941年开发出了1.25兆瓦的史密斯.普特南风力涡轮机。这种涡轮机寿命不长并且因为制造材料不合适而导致的问题被关闭;如今我们使用的现代化材料和质量标准在那个时候还没有出现。

里瑞奇.W.赫纳 (1910-1990),德国/奥地利工程师。他开发了100千瓦的StGW-34型风力涡轮机,它是现代风力涡轮机技术的里程碑。它于1957年被安装在瑞士阿耳卑斯的一处测试场地。

约翰尼斯.鲁尔 (1887-1969),丹麦工程师,普尔.拉.卡瓦的学生。1957年他在丹麦的维斯特.艾格斯堡建造了第一台200千瓦的风力涡轮机。这台涡轮机是现代风力涡轮机的原型。

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如何计算风能?

风是由具有微小质量的空气分子运动形成的。任何有质量的运

动物体都具有动能,它的量用公式表示为:

动能 = 1/2 x 质量 x 速度平方


这里质量用单位千克来度量,速度用米/秒,动能用焦耳来表示。

空气有已知的密度(海平面高度大约为1.23千克/立方米),所以每秒碰撞风力涡轮机的空气的质量由以下的公式表示:

质量/秒(千克/秒)= 速度(米/秒)x 面积(平方米)x 密度 (千克/立方米)


所以,只要简单地把质量/秒的计算结果代入到上面的标准动能公式中就可以表示出风碰撞风力涡轮机的功率(即每秒的能量),结果就是下面的关键公式:

功率 =  1/2 x 扫过的面积 x 空气密度 x 速度三次方


这里功率单位是瓦特(即焦耳/秒),扫过的面积单位为平方米,空气密度单位是千克每立方米,速度单位为米每秒。

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如何计算空气密度?

空气密度的求值对測风来说是至关重要的,因为在不同的海拔和温度下空气密度差别非常大的。零下10摄氏度和30摄氏度的密度差为0.177千克/立方米。

空气密度:

单位为千克/立方米;气压用p表示,摩尔气体常量为R,开尔文温度用T表示

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如何计算风能?

风是由具有微小质量的空气分子运动形成的。任何有质量的运

动物体都具有动能,它的量用公式表示为:

动能 = 1/2 x 质量 x 速度平方

 

这里质量用单位千克来度量,速度用米/秒,动能用焦耳来表示。

 

 

空气有已知的密度(海平面高度大约为1.23千克/立方米),所以每秒碰撞风力涡轮机的空气的质量由以下的公式表示:

 

质量/秒(千克/秒)= 速度(米/秒)x 面积(平方米)x 密度 (千克/立方米)

 

 

 

所以,只要简单地把质量/秒的计算结果代入到上面的标准动能公式中就可以表示出风碰撞风力涡轮机的功率(即每秒的能量),结果就是下面的关键公式:

 

功率 =  1/2 x 扫过的面积 x 空气密度 x 速度三次方

 

 


这里功率单位是瓦特(即焦耳/秒),扫过的面积单位为平方米,空气密度单位是千克每立方米,速度单位为米每秒。

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