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风能的未来 - 浅谈风电机的家装应用与创新研究

为了实现《巴黎协议》的要求,将全球变暖控制在1.5摄氏度以内。绿色能源代替天然能源成为主流发电能源至关重要。绿色能源指的是太阳能、风能、水力发电、地热能、氢能或生物质能等可再生能源。其中风能因为它的许多优势,成为世界上增长最快的能源来源之一。风能已经成为许多国家安全可靠的可再生能源选择之一。

风能通常有两种不同的类型:陆地风电场和海上风电场。


风电

多数陆上风力涡轮机容量为2-3兆瓦(MW),每年可以产生超过600万千瓦时(kWh)的电力,可以满足约1,500个普通家庭的用电需求。一般来说,风力涡轮机的效率约在30-45%之间,在风力高峰期可达到50%。在英国,风力涡轮机在一年中产生电力的时间占70-80%,使其成为全年可靠的电能源来源。


风电场的建设速度高于其他发电站。组装能够产生50 MW能量的风电场的平均时间只需6个月。风力涡轮机的寿命为20-25年。在此期间,有些部件可能需要更换。购买和安装商业风力涡轮机的成本约在34.5万英镑(100 kW涡轮机)到313万英镑(3.5 MW涡轮机)之间。


英国家用风电机市场的兴起


家用风力涡轮机

随着能源成本不断攀升,越来越多的居民考虑在屋顶上安装太阳能电池板以节省能源开支。然而,与阳光充足的西班牙或意大利不同,英国的天气不稳定,人们往往会经历阴沉、多云的天气,尤其是在冬天。这解释了英国家用风电机在增长的趋势,也因为英国是欧洲风力资源最充足的国家之一。


两种主流的家用风力涡轮机:


a)屋顶安装的风力涡轮机

安装在屋顶的风力涡轮机有高度上的优势,提供了必要的风力来产生电力,并将其直接供应给房屋。这种类型的涡轮机比其他版本更容易安装也更便宜,1千瓦系统的成本只须3000英镑(约27000人民币)。


家用风力涡轮机

b)独立或杆式安装的风力涡轮机

产生的能量比屋顶安装的涡轮机更多。2.5千瓦的独立式风力涡轮机的成本为9900英镑到19000英镑(约9-16万人民币),而6千瓦的版本在21000英镑到30000英镑之间(约20-30万人民币)。


家用风力涡轮机

家用风力涡轮机的局限性和缺点


尽管家用风力涡轮机正在兴起,但仍然存在一些安装的局限性和缺点,包括:


a)风速要求:家用风力涡轮机需要平均风速至少达到每小时16公里才能高效工作。在低风速地区,就可能无法产生足够的电力,从而降低性价比。


b)空间要求:安装家用风力涡轮机需要大量空间,且必须装在足够高的位置以捕捉风能。大多数家庭可能没有足够的空间或安装条件。


c)噪音:涡轮机所产生的噪音,在居民区可能会成为问题,引起邻居的抱怨。


d)视觉影响:风力涡轮机在视觉上可能会影响市容市貌,降低附近房产的价值。


e)成本:购买和安装家用风力涡轮机的成本可能很高,需要数年时间才能收回成本。


f)可靠性:风力涡轮机可能会受到天气条件的影响,如强风或雷击,导致机械故障,从而影响能源系统的整体可靠性。


g)维护:家用风力涡轮机需要定期维护,较为昂贵且耗时。如果没有适当的维护,就容易出现故障,如因水汽凝结或金属退化而引起的电气故障和机械故障。


这些局限性都会成为想要低维护能源系统的房主们的购买阻碍。


风力发电的技术突破


无叶片风力发电机


尽管风能对绿色能源转型做出了巨大贡献,但与其他可再生能源相比,传统风能发电确实存在一些缺点。包括较低的发电效率、高安装和维护成本以及相对较短的寿命。


风电发电效率对比

此外,风力涡轮机也存在潜在的环境风险,高大的金属结构不但可能对鸟类构成危险,还容易遭到雷电的袭击。建于住宅区附近的传统风力涡轮机产生的噪音也可能会对居民造成干扰。因此人们也一直在寻找进一步的技术突破,在解决上述缺点的情况下以更高的效率收获风能,以下两个案例做出了一些令人有所期待的成果。


EWICON(电静电风能转换器)是一种利用风力发电的技术,它不使用旋转叶片或涡轮。相反,它利用一系列垂直带电的管道来创造一个电场,以捕捉风的动能并将其转换为电能。


EWICON

EWICON系统由一系列带电的管道组成。当风穿过管道时,水蒸气会产生电荷,这些电荷被收集并转换成可用的电能。由于该系统不使用任何运动部件,不产生噪音与摩擦,因此它比传统风力涡轮机更加安静也更不易引人注目,使其更适合用于城市中。


EWICON

EWICON仍然是一种相对较新的技术,正在全球各地的各种研究机构和组织中进行开发和测试。它有潜力成为传统风力涡轮机的最佳替代品,并可能提供一种更美观、更环保的发电方式。


Vortex Bladeless是一种利用无叶片涡轮设计发电的风能技术。该技术利用涡度原理,涡度是流体(如空气)在流动时绕轴旋转的倾向。Vortex Bladeless系统由一个支撑弯曲的圆柱形杆的圆锥形结构组成。当风流经结构时,它会形成涡流,导致桅杆振动。然后,这种振动通过电磁发电机转换成电能。


Vortex Bladeless

Vortex Bladeless的设计相比于传统风力涡轮机有几个优点。首先,它要安静得多,因为它没有任何旋转的叶片。其次,它的视觉影响要小得多,更适合在城市和郊区环境中使用。此外,无叶片设计更不容易发生机械故障,降低了维护成本和停机时间。


Vortex Bladeless

Vortex Bladeless和EWICON作为创新风能技术,具有潜在的优势,但是也各自有其劣势。


就Vortex Bladeless而言,它的一个关键优势在于没有旋转的叶片,从而降低了鸟撞的风险并且更低调,存在感更低。此外,该技术较不容易发生机械故障,这降低了维护成本和停机时间。然而,该技术的效率仍然相对较低,与传统风力涡轮机相比,它在发电方面或许不够有效,特别是在低风速地区。因此它目前也只适用于低功率应用,不适用于大规模风能发电。


EWICON也面临同样的问题,且比传统风力涡轮机更昂贵。还存在在极端天气条件下其可靠性的不确定性,因此也不适用于大规模风能发电。


总体而言,Vortex Bladeless和EWICON都具有独特的优势和挑战。这些技术的未来将取决于持续的研究和开发,以提高其效率,可靠性和成本效益,以及监管和安全考虑。突破这些局限,它们就可能成为风能的未来,特别是在传统风力涡轮机不适用的城市和郊区环境中。


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