編者按：如果天不再藍、電不夠用，未來人類該如何選擇?為了解決全球能源緊張和環境污染問題，大力發展清潔能源已成為緩解能源瓶頸的有效途徑。利用清潔能源發電，能夠減少對傳統能源的消耗和對環境的污染，使我們的生活更加健康、節能低碳。
風吹綠電來
——如何有效利用風能
不必說文人墨客筆下“春風又綠江南岸”“柳絮池塘淡淡風”所呈現的充滿詩情畫意的風，單只講為人類傳遞信息的風箏、提供動力的風車和風帆，都是人類有效利用風的杰作。風能相對于傳統的化石能源，是一種清潔能源，利用風能的最好途徑就是將風能轉化為電能使用。本期，就和你講講風能的特點，以及人們是如何利用風能發電的。
1、風是如何形成的?
風的能量主要來自于太陽能，太陽的輻射給地球上的空氣加熱時，地球大氣受熱并不均勻，溫度高的地方空氣上升，于是在地表形成了低壓;溫度低的地方空氣下降，在地表形成了高壓。高壓和低壓之間形成氣壓梯度，空氣從高壓區向低壓區流動，就形成了水平運動的風。
2、風按照強度分類，可以分為哪幾級?
你一定在天氣預報中聽到過類似這樣的說法，“渤海風力6~7級轉4~5級”。這里所說的“級”就是按照強度對風的分類，稱為“蒲福風力等級”。它把風按照風速分為從0~12共13個等級，數字越高，風速越快，風中所攜帶的能量越大。
為了方便記錄，人們還給這13個等級的風分別起了名字：0級為無風，1級為軟風，2級為輕風，3級為微風，4級為和風，5級為清風，6級為強風，7級為疾風，8級為大風，9級為烈風，10級為狂風，11級為暴風，12級為颶風。
3、風能的特點是什么?
我們來看看風能的特點：首先，風能的蘊量巨大。太陽輻射到地球的能量中，有2%轉化為風能，這可是一個非常龐大的數字。
地球上的風能約為27400億千瓦，其中可以利用的約200億千瓦，這個數量有多大呢?它是地球上可開發利用的水能總量的10倍!全世界每年燃燒煤炭得到的能量，還不到風能在同一時間內提供給地球能量的1%。
風能最厲害的地方還不僅限于此。風能是可再生的，幾乎可以說是取之不盡、用之不竭的。另外，風能是清潔能源，現如今人們使用的風能利用技術不會造成空氣污染。
然而有效地利用風能可并不簡單，擺在人們面前的困難重重。
第一，風功率密度低，也就是說風能雖然大，但是很難集中利用。為什么說風能多，但不集中呢?如果我們利用化石能源，開采一個煤礦或者油田就行了;如果利用水能，在合適的地方修個水電站就可以了。風能四處皆是，很難把它們集中利用。因此需要選好風電場場址，形成規模化利用。
第二，風能是不穩定的，一陣風大，一陣風小，幾乎沒什么規律，讓人很難掌控。
第三，風能的分布很不均勻。要想利用好風能肯定需要很多技術手段。
4、我國的風能主要分布在哪些地區?
度量一個地方風能資源是否豐富，我們常用“風功率密度”這個概念，它的單位是“瓦/平方米”。
如果我們把風能資源的多少畫在中國地圖上，就會見到一個很有意思的畫面：西北、東北、華北、東南地區都是風能資源豐富的地方，中原地帶和西南、東南部分地區的風能資源貧乏。
我國風能資源總的技術可開發利用量為7億~12億千瓦。蒙東、蒙西、新疆哈密、甘肅酒泉、河北壩上、吉林西部、江蘇沿海、山東沿海等地區是我國風能資源最豐富的地區，50米高度3級以上風能資源潛在開發量約18.5億千瓦，占全國陸上風能資源的77.7%。
5、人們是如何利用風能發電的?
風力發電的基本原理簡單來說，就是將風的動能轉變為機械能，再將機械能轉變為電能。
具體來說，就是風吹過風車槳葉時在槳葉正反面形成壓差，驅動風輪旋轉，將風的動能轉變為風輪的機械能。發電機在風輪的帶動下旋轉發電，將機械能轉變為電能。實現這一能量轉換的設備為風力發電機組。
風力發電機組的功率是衡量風力發電機組發電能力的指標，功率越大，則發電能力越強。風電機組在達到額定功率之前，其輸出功率和風速的立方成正比，因此風速是風能資源的關鍵因素。
但是，人們從風中提取的能量最多只能是它的59.6%，一般情況下要小于40%。
小知識：風能利用的歷史
人們很早就注意到風能是一種非常好的能源，而且一直在尋找各種有效利用的方法。在幾千年之前，古埃及人就發明了風帆，他們在船上安上風帆，借助風力使船航行。中國在明代之后，開始普遍使用風帆驅動水車灌田。
18世紀，荷蘭曾利用近萬座風車將海堤內的水排干，成了著名的風車之國。這種風車在歐洲大陸很普遍，是機械能的主要來源。可是后來，蒸汽機、電動機等高效的新興機械產品出現了，古老的風車顯得又慢又笨，于是被紛紛棄之不用。
風能重新被規模利用，是1973年發生石油危機以后，美國、西歐的一些國家為尋求替代化石燃料的能源，利用計算機、空氣動力學和材料科學等領域的新技術研制出現代風力發電機組，加之人們越來越意識到常規化石能源對環境的污染，于是積極開發清潔、可再生的能源。風能作為一種很好的清潔能源，如今越來越受到人們的重視，并被大規模開發利用。
鏈接：我國風電的發展歷程
我國在20世紀50年代后期開始風力發電研究工作。1986年，中國最早的風電場——馬蘭風電場的3臺機組并網運行。
2006年1月1日，《中華人民共和國可再生能源法》正式實施，中國風力發電進入大規模發展階段，裝機規模持續迅猛增長。
2009年突破1000萬千瓦，2012年突破5000萬千瓦，取代美國成為世界第一風電裝機大國。
截至2015年2月底，我國并網風電裝機容量突破1億千瓦，達到10004萬千瓦，繼續穩居我國第三大發電類型和世界風電裝機首位。我國已成為全球風電裝機增長速度最快、新增風電裝機容量最大的國家。
風吹綠電來
——如何做到風電的并網及消納
上期科普版介紹了人們是如何有效利用風能的，本期再來和你講講風電建設者是如何為風電場選址的，風電并網對電網會產生哪些影響，以及如何確保風電的消納。
1、風電機組由哪些部分組成?
從外形看，風力發電機組由風輪、機艙、塔架組成。
風輪。風輪一般由2~3個槳葉裝在輪轂上組成，是風力發電機組接收風能的部件。我們平時看到那個像風車一樣的東西，其實就是槳葉，它就像水中劃船用的槳一樣，槳葉越大，從風中獲取的能量也就越多。目前，風電場的風力發電機組大多采用3個槳葉，其特點是運行平穩、效率高。制作槳葉的材料通常是玻璃纖維，但是隨著槳葉的不斷加大，還需要既能減輕槳葉質量，又能滿足強度與剛度要求的復合材料，如碳纖維、竹纖維、高強度玻璃纖維。
機艙。機艙內有齒輪箱、發電機、控制系統等關鍵設備，負責將風輪的動能轉換成電能。
塔架。風力發電機組需要通過塔架將其置于空中，以獲取更多的風能。塔架內通常裝有梯子，以便工作人員沿梯子進入塔架頂端的機艙進行檢修操作。
2、風電場如何選址?
選擇風電場的場址，是對一個較大區域的風能、氣象條件、電網、交通、地質、周圍環境等因素和條件綜合考察后，選擇一個風能資源豐富、最有利用價值的小區域的過程。要綜合考慮以下幾個方面的因素：
(1)風能的質量。風能的質量不僅包括風能的多少，即年平均風速高、風功率密度大、可利用小時數等，還包括風的一些特性，如風向基本穩定、風速變化小等。
(2)氣象條件。在與風打交道時，氣象條件尤為重要。勘測一處風電場，要了解這個地方的溫度、濕度、氣壓等氣象學信息。此外，風電場一定要盡量避開那些氣象災害頻發的地區。這些氣象災害包括強臺風、龍卷風、雷電、沙暴、覆冰、鹽霧等。
(3)地理條件。風力發電機組的隊列要講究按地形“排兵布陣”，風電場的選址也需要結合大量地理因素。首先要注意地形和地表植被。此外，建設風電場也需要盡量避開地質災害較多的地方，比如地震帶、火山頻發的地域。
(4)其他因素。除了“天時地利”，建設風電場還需要充分考慮到“人和”的因素。選擇靠近電網的區域建設風電場可以有效降低成本，也減少了電能損耗。風電場應遠離人口稠密的地方，以避免風力發電機組噪聲、風力發電機組損壞時的易發危險給人們帶來的影響。風電場的選擇還需要考慮盡量少破壞地表植被，盡量不侵占野生動物的巢穴區，并盡量避開鳥類的飛行路線。
3、風電場的發電機組是如何排布的?
通過對地形和風能的研究，人們為風力發電機組編排了各種隊形。風力發電機組排布時，通常呈“梅花陣”排列。“梅花陣”是針對比較平坦、風向相對單一地區設計的陣列，它的整體形態為矩陣式分布，各排之間相互平行，但每兩排間是相互錯位的。這樣做是為了減小風力發電機組之間的尾流干擾。“田字陣”和“圓形陣”都是為應對多個風向并存的情況設計的。
4、風電并入電網，對電網有何影響?
風是一種自然現象，風速與風向會隨機不斷變化，以致造成風電的頻率、電壓不穩定。而風電場大都采用了并網發電的模式，也就是將風電并入一個電網。如果一個電網中的風電比重過大，那么提供的電能質量就會受到影響，這樣會使我們家庭使用的電壓不穩定，以致燈泡一會兒亮，一會兒暗，或導致一些電器無法正常工作，嚴重時會導致整個電網癱瘓。因此，現在科研人員都在研究如何將風電變得更穩定。
5、如何確保風電的消納?
近年來，我國風力發電進入了大規模發展階段。風電高速發展也帶來了并網和消納難題。那么，如何確保風電的消納呢?專家建議，要統一協調各種類型的電源規劃，在風電場建成之前就規劃好如何并網、如何消納;電網建設應該走在風電開發之前，加快風電送出工程建設，提高風電外送能力;還要注重加強風電優先調度，挖掘系統調峰能力;每年冬季供暖期，優化風電配套線路檢修計劃，優化供熱機組調度，努力增加風電消納空間。此外，還要加快建設以特高壓電網為骨干網架、各級電網協調發展的堅強智能電網，加大風電消納范圍和外送力度，實施風光水火電打捆外送，在全國范圍優化配置和消納。
6、為何要開展大規模海上風力發電?
眾所周知，海面上的風能資源比陸地上豐富，海上很少有靜風期，能更有效地利用風力發電機組的發電容量。海上的風速隨高度的變化小，不需要很高的塔架。而且，海上沒有復雜的地形對氣流的影響，因此減小了風對風力發電機組的疲勞損耗，可延長其使用壽命。另外，海上風電不占用寶貴的陸地資源，且適合安裝大型機組。目前，很多國家都在發展大規模海上風電場，海上風力發電已成為風電的發展趨勢。我國有漫長的海岸線，有著豐富的海上風能資源。國家能源局2010年指出，要大力推進海上風力發電基地建設。
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