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风,是我们每天都习以为常的自然现象。在公园的游船上,总能体会到清风徐来、水波不兴的逸兴;而当身处远洋的海轮时,可能就是阴风怒号、浊浪排空的恐惧。不知你可曾想过,如此变化多端的风是怎么来的呢?
追根溯源的话,风和我们所利用的绝大部分能量一样,都来自于太阳。地表各处吸收的太阳辐射能量不同,加热其上方空气的能力便会有差异。冷暖不一的空气形成了不均匀的气压,在水平方向上从高气压向低气压流动,就形成了风。太阳辐射到地球上的能量中,大约有2%转化为了风能,造就了对人类而言极其庞大的可再生能源。整个地球的风能约为2.74万亿千瓦,其中能够利用的差不多有200亿千瓦,是当今全球电力装机总量的3倍多。根据测算,中国可开发利用的风能资源有10亿千瓦,其中陆地有2.5亿千瓦,近海地区有7.5亿千瓦,是世界上风能资源较为丰富的地区。
人类利用风能的历史
虽说今天把风能称作一种新能源,但风其实是人类最早利用的能源之一。我们小时候常玩的风车,就是一种将够把风能转化为机械能的工具。
将多个风帆绑在一根轴上,借助风力循环运动,就成为了风车。早在公元前,波斯人便已经开始利用垂直轴风车碾米。
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10~11世纪
中东地区广泛使用风车来提水。
13~14世纪
风车传到欧洲,随后成为文艺复兴时期欧洲不可缺少的动力设备。
18世纪
荷兰曾利用近万座风车将海堤内的水排干,造出的良田相当于其国土面积的1/3,成为了著名的风车之国。
19世纪中晚期
美国大规模开发当时荒凉的西部。为了解决人畜饮水问题,人们利用风车驱动活塞泵用于提水,在这些美国风车农场里,风车数量高达600万台。
我国利用风车的历史也很早,在东汉时期的壁画上,就有了风车的图形。到宋元时期,诗词中出现了利用风力推动磨盘来磨面的场景。明朝则大规模利用风车来提水灌溉及提海水制盐。当时使用的风车是将8个帆编在一个直立的杆上的立帆式垂直轴风轮,也称为走马灯式风车。这种风车一直使用到20世纪50 年代,仅在江苏沿海利用风力提水的设备便曾高达20万台。
风电的兴起
随着第二次科技革命的展开,电力成为了工业的中心。如果将风能转化为电能传输,就可以规避其分布不均匀的缺点。
风力发电真正得到世界各国的重视,是在1973年石油危机以后。这时人们终于意识到化石能源终有一天会消耗殆尽,同时燃料燃烧引起的空气污染和气候变化问题也逐步得到了重视。风能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源重新回到了主流工业界的视野,并得以快速发展。
自1980年以后,风力发电机叶片不断加长,单机容量不断增大, 从80年代的100千瓦,到90年代200千瓦,再到新世纪的兆瓦,目前最新的主流机组已经达到了5~6兆瓦左右。
我国风力发电的研究与世界基本同步,自20世纪70年代以来,在内蒙古、甘肃、青海及东南沿海的海岛上安装了许多单机容量在50~500瓦左右的微型风力机,用来给牧民和岛民提供照明、提水、娱乐、畜群电栅栏、饲料粉碎等服务。到了80年代,我国开始研制大、中型风力发电机组,在新疆、内蒙古的风口及山东、浙江、福建、广东的岛屿建立了8座示范性风力发电场,到1992年装机容量已达8000千瓦。
2006年1月1日,《中华人民共和国可再生能源法》正式实施,风电迎来了飞速发展的历史机遇。到2016年底,中国累计风电并网装机总量1.49亿千瓦,当年发电2410亿千瓦时,提供了全国4%的电力。
经过四十多年的现代化发展,快速发展的风力发电以其技术可靠、成本低廉的优势,已被公认为最实用的可再生电力来源。而方兴未艾的海上风电由于其巨大的商业潜力和环保效益,也已引发了世界各国的关注。
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