風能：清潔能源的最大潛在機會

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更新於: 2021年03月03日11:45:39 格林威治標準時間

如今，風能僅提供了全球能源總供應量的0.8％。在本章中，我們將探討我們可以做些什麼來增加這一比例。但在此之前，讓我們探討一下風力發電的工作原理。

風能是如何運作的？

風力來自大型{風力渦輪機，它將風的動能轉化為電能。

大多數渦輪機具有兩個或三個{葉片，當風從特定角度擊中它們時，它們被設計成會旋轉。然後，這些葉片旋轉一個轉子，該轉子為發電機提供動力以產生電力。

風力發電要多少成本？

陸上風（渦輪機在陸地上）是我們擁有的最便宜的可再生能源形式之一，在某些情況下，它甚至比化石燃料的能源更便宜。

該價格預計在未來會進一步降低。到2030年，全球陸上風能的平均成本很可能會從2018年的0.06美元/千瓦時降至0.03-0.05美元/千瓦時。

隨著我們建造更多的渦輪機，建造它們的成本就會下降。這是因為有一種叫做{規模經濟的東西：大量的產品建造成本（例如設計），只需支付一次，無論我們生產多少。因此，我們生產的產品越多，它們的平均價格就越便宜。

風力發電也越來越便宜，因為每個渦輪機發電的電量增加了。這是由於技術的改進。

改善風力渦輪機？

我們需要看兩個重要的數字：

{額定功率 ：黨風速較快時，渦輪機會產生更大的功率，對嗎？是的，正確。但是在某些時候，這種情況會停止，更快的風不會帶來更多的能量。這一點稱為額定功率，它越高越好。

{功率：這是指渦輪機以其額定功率運行的時間比例。如果我們在風力很小的地區建造渦輪機，它將很少達到其額定功率。因此，它的容量係數會很低。目前，陸上風力渦輪機僅以34％的功率運轉。

風能將無法為我們提供穩定的能源供應,直到我們增加這個數字，除非我們花費大量金錢找到一種方法來存儲多餘的能量，以供風不吹的時候（使用）。

考慮到所有這些，讓我們看看如何增加這些數字。

越大越好-增加額定功率

近年來，風力渦輪機一直在變得越來越大。下圖顯示了過去20年中美國渦輪機的直徑的增加情況：

這種增長意味著，風力渦輪機現在平均可以產生更多的電力。

雖然大型渦輪機的建造成本較高，但它們也能產生更多的能量，所以從長遠來看，它們更便宜。

然而，現在的葉片變得如此巨大，以至於從工廠運輸刀片變得越來越困難。這意味著我們必須在現場建造渦輪機，這可能會更加昂貴。更大的渦輪機也會受到來自風更大的阻力，因此需要用更堅固的材料建造，這可能很難生產。

當然，如果因為風力太慢，渦輪機很少以這種功率運行，那個增加渦輪機的額定功率並沒有多大意義。對此我們能做什麼呢？

風力能可靠嗎？增加功率！

一般而言，海上的風比陸地的風更快且更穩定。因此，在海上建造風力渦輪機（稱為\ bold {離岸渦輪機}）可以在不佔用陸地空間的情況下更穩定地產生更多電力。

高處的風也更強且越恆定，所以建造更高的渦輪也有類似的影響。但是，與更大的渦輪機一樣，這需要堅固的材料，目前這種材料更昂貴。

那麼，我們還能如何收穫這種高的風能呢？

空中風力——以航行方式獲得更高的容量係數？

{高空風力發電 是一套捕獲大氣層高處的極強風力的技術。

其中一項技術涉及到放風箏以捕獲70-450m高的風能。下面是它的工作原理：

風箏被連接到長電纜上，長電纜被纏繞成一個線圈連接至地面。
風箏被引導者飛走，拉動電纜，並解開線圈，以產生能量。
一旦線圈完全解開後，風箏就會被調節，這樣就可以用纜繩把它絞回去，使用的能量比它飛出去的時候少。

要使這項技術在商業上可行，還需要做更多的研究，但是這樣做可能會使風力發電的容量係數從35％提高至60％。

那麼環節成本怎麼樣呢？

讓我們逐一講解。

{視覺影響：通過將風力發電場放置在偏遠地區和近海，可以減少這種影響。在可能的情況下，運營商可以讓當地社區參與新農場的規劃，甚至擁有新農場的所有權。

{噪音：更改葉片的形狀會略微降低其發出的刺耳聲音。通過使用更安靜的齒輪或在渦輪機頂部周圍安裝隔音罩，也可以降低渦輪機本身的機械噪音。

{無線電波：風電場會干擾無線電波。這會影響附近船隻和飛機的雷達導航系統。我們需要找到方法來訓練現在的雷達系統，以識別來自渦輪機的信號，和/或用{雷達吸收材料 建造新的渦輪機。

{鳥類可能會因與旋轉的葉片相撞而被殺死，但是避免在鳥類數量較多的地區建造渦輪機可以減少這種影響。如果附近有稀有物種，也可以通過暫停渦輪機來保護鳥類。對於海上風電場，可以調整渦輪機的高度以減少與海鳥的飛行重疊。

佔地

大型風力渦輪機可以產生大量電力，但它們也佔用大量空間。一個3.4平方公里的核電廠所產生的電力與344平方公里的土地上的風力渦輪機所產生的電力一樣多。這就是說， 如果我們使用風力渦輪機之間的空間，比如說用來種植食物，我們將減少超過90％的實際“損失”的土地！ 。

風電場漂浮在海洋中

一種顯而易見的減少風力渦輪機用地的方法是在\definition {離岸}{offshore}建立它們。

我們已經看到，海上風電場可以具有更高的額定功率和利用率，但它們的安裝和維護成本也更高。也就是說，規模經濟和需求增加可能意味著將來會出現更多的海上風電場。

當今的海上風力渦輪機只能在靠近海岸的淺陸架上建造。但是這些地方僅佔海洋的10％，這限制了可用於建造風電場的空間數量。另外，與深海相比，大陸架上的風更慢且穩定性更低。

為了解決這個問題，工程師正在研究{浮動風力渦輪機 。它們簡單地使用大型電纜固定在海底，並且可以安裝在幾乎任何深度。

這項技術的一些實驗正在全球範圍內進行。例如，自2017年以來，一個浮動風電場一直以30MW的額定功率運行在蘇格蘭沿海地區，並且以高達65％的功率運行，在8.2m高的波浪下倖存！那不是很了不起嗎？

結論

大型風力渦輪機可產生大量清潔能源，而且重要的是，便宜的能源。這是很好的，但是它並不能有所幫助除非電力供應穩定。

在本章中，我們已經看到，提高渦輪機的功率是提高風力發電穩定性的最佳機會。

這在一定程度上幫助了我們，但不幸的是，人類仍然無法控制天氣。因此，為了大規模使用風能，我們需要大量的能量存儲來彌補，以彌補風俗不夠的情況。

水力發電是一種廉價的{和可靠的可再生能源，這是下一章的主題！

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