风能定义

风能

通过地球大气层中自然流动的空气产生的电能被称为风能。它对环境和气候的影响比燃烧化石燃料要小得多，因为它是一种可再生资源，不会因使用而耗尽。

一套8英尺的帆，用于捕捉盛行风并转动石头来研磨谷物，或称为磨坊，是基本风力发电机组的例子。或者，它可以复杂到150英尺的风向标旋转发电机，该发电机产生的电力储存在电池中，或分布在电力分配系统中。

还有其他无叶片风力涡轮机。截至2021年，美国约有67,000台风力涡轮机在运行，分布在44个州、关岛和波多黎各。2020年，美国生产的电力中有8.4%来自风能。它满足了全球约6%的电力需求。

风能的发电量每年约增加10%。它是许多国家（包括印度、中国、德国和美国）旨在应对气候变化和促进可持续发展的政策的重要组成部分。

风能定义

人们以多种方式利用风能，从简单的（在更偏远的地区仍用于为牲畜抽水）到日益复杂的——想想加利福尼亚州580号州际公路沿途山丘上覆盖的数百台涡轮机。

任何风能机械的基本组成部分都非常相似。一个驱动轴连接到各种尺寸和形状的叶片，然后泵或发电机利用或收集风能。

风车直接利用风能驱动机械运动，例如研磨谷物或抽水；风力涡轮机利用风能发电。涡轮机系统需要其他部件，例如用于储存电力的电池，或者可以连接到配电系统，例如电网。

没有人真正知道人类何时学会了利用风能。然而，已知在大约公元前5000年，埃及尼罗河上的船只就利用风能航行。在中东，到了公元前200年，人们已经使用了手织的风车叶片来粉碎谷物，在中国，原始的水泵由风驱动。最终，那里的每个生产阶段都涉及到风车和水泵的使用。

这个想法最终传到了欧洲，荷兰人在那里建造了巨大的风力水泵来排干湿地，然后又传到了美洲。

风能基础知识

太阳加热大气、地球表面变化和地球自转等自然过程都促成了风的产生。水体、森林、草地和其他植被以及高差的影响，会导致风力增强或减弱。

虽然一年中不同地形和不同时间风的模式和速度差异很大，但一些变化是足够可预测的，可以在规划时加以考虑。

选址

圆形山丘的顶部、广阔的平原（或近海风的开阔海洋）和风自然涌入的山脉（产生规律的高风速）是安装风力涡轮机的最佳地点。地点越高越好，因为高处通常风力更大。

风能预测是选择风力涡轮机安装地点的重要工具。这些信息可以在美国国家海洋和大气管理局（NOAA）或美国国家可再生能源实验室（NREL）的各种风速图和信息中找到。

下一步是进行现场特定评估，以评估当地风况并选择最佳的风力涡轮机安装地点以实现最高效率。陆地项目至少测量一年风向、风速、湍流、温度和湿度。一旦确定了这些信息，就可以建造输出可预测的涡轮机。

风并不完全决定风力涡轮机的安装地点。风电场与电网（以及可以使用电力的城市）的距离、对附近航空交通的潜在干扰、基础岩石构造和断层、鸟类和蝙蝠的飞行模式，以及对周边环境的影响（噪音和其他潜在影响）都是风电场建设者必须考虑的因素。大多数大型风电项目的设计寿命至少为20年，甚至更长。因此，这些挑战必须从长远来看予以考虑。

风能类型

公用事业规模风能

这些是大型风电场，旨在为电力公司提供能源。它们有时会取代或补充燃煤或天然气发电厂，并且规模相似。

目前，这些系统在美国提供了约8.4%的总能源。它们通常由100千瓦以上的涡轮机组成，这些涡轮机安装在一起以提供重要的电力。

海上风能

这些通常是公用事业规模的风能项目，计划在沿海地区的海域进行。它们可以在靠近大城市的地方产生大量电力，而美国大部分地区的人口往往更集中在沿海地区。根据美国能源部的数据，海上风比陆地风更频繁、更强劲。国际能源署估计，风能可以满足世界需求的18倍以上。

分布式或小型风能

上面的例子与这种风能形式相反。这些小型风力涡轮机用于满足某个地点或区域的能源需求。这些涡轮机在离网运行时会定期连接到更大的电力分配系统。这些较小的装置（5千瓦）可以安装在住宅区，在那里，根据天气情况，它们可以满足家庭全部或大部分的能源需求。中型装置（约20千瓦）可以安装在工业或社区环境中。它们可以作为可再生能源系统的一部分，包括太阳能、地热能或其他能源。

风能如何工作？

风力涡轮机的目的是利用风的动能，通过使用某种形状可变的叶片。就像帆被升起以推动船只一样，风流过叶片时会将其抬起。风的力使叶片旋转，从而带动连接在上面的驱动轴。

然后，该轴的能量驱动一种特定类型的泵，例如直接旋转谷物石头的风车，或产生可以立即使用或储存在电池中的电力的发电机。产生电力的风力涡轮机过程涉及以下步骤：

风推动叶片

风车或风力涡轮机理想情况下应安装在风经常稳定吹拂的地方。特制的叶片受到气流的推动，这使得风能够尽可能轻松地驱动它们。叶片的设计可能会导致叶片在其位置的迎风或背风方向受到推动。

动能转化为

风产生的自由能量被称为动能。在我们使用或储存这些能量之前，必须将其转换为可用形式的能量。当风推动风车叶片时，动能转化为机械能。叶片的运动然后转动驱动轴。

发电

在风力涡轮机中，旋转的驱动轴连接到一个齿轮箱，该齿轮箱将旋转速度提高100倍，以驱动发电机。因此，齿轮最终旋转的速度比风驱动的叶片快得多。如果这些齿轮加速到足够高的速度，它们就可以驱动发电发电机。

工程师们正在开发直驱发电机，它们可以在较低的速度下运行（因此不需要齿轮箱），以取代涡轮机中最昂贵、最重的部件——齿轮箱。

电力的使用或储存

风力涡轮机产生的电力可以在原地使用（在小型或中型风电项目中更常见），提供给输电线路立即使用，或者储存在电池中。

风能的未来取决于更有效的电池储能。有了更多的存储空间，就可以利用刮风天的电力来补充无风天的电力。这样，风的变化就不会成为风力发电稳定性的主要障碍。

风电场

风电场是一组风力涡轮机，它们作为一个特殊的发电厂来发电。一个风电场可以由几个或数百个风力涡轮机组成，这些风力涡轮机在同一区域运行，无论是在陆地上还是海上，因为没有正式的标准来确定安装中涡轮机的数量才能被称为风电场。

风能的优点

• 在合适的情况下，风能90%的时间可以产生低成本、清洁的电力。
• 风电场产生的废物非常少；无需运送和处理任何东西，无需用水冷却机械，也无需排放进行处理或清洁。
• 一旦安装完毕，风就是免费的，因此风力涡轮机的运营成本很低。
• 它可以在各种不同的地点使用。

例如，小型涡轮机可以为一个房屋或农场建筑供电，大型涡轮机可以为一个工业设施供电，一片巨大的涡轮机可以产生足够的能源供整个城市使用。

风能的缺点

• 风的稳定性可能会发生变化。此外，涡轮机在风力弱或风力强时会停止运行，不产生电力。
• 根据安装地点，涡轮机可能会有噪音，也可能没有噪音，有些人可能不喜欢它们的外观。居家风力涡轮机可能会让邻居感到烦恼。
• 风力涡轮机会伤害野生动物，尤其是鸟类和蝙蝠。
• 它们的初始成本很高，但可以相对较快地收回成本。