风之能源——小型风电系统实用指南.pdf

低碳经济与绿色能源丛书风 之 能 源 小型风电系统实用指南 （美）著 孟明 译机 械 工 业 出 版 社本书从实际应用的角度全面地介绍了小型风电系统，其内容几乎涵盖了小型风电系统所涉及的各个方面，包括风、风能、风电系统的组成和类型、风能评估、风力发电机、塔架、蓄电池、逆变器、风电系统的安装和维护、风电系统的安装费用和收益以及申请安装风电系统所涉及的问题等。本书通俗易懂，适合于对小型风电系统感兴趣的个人以及从事风电工作的技术人员阅读，对我国风电技术的发展和激励政策的制定以及科研院所、大专院校、风电设备制造商所进行的风电研究工作也有一定的借鉴价值。：，：本书版权登记号：图字 图书在版编目（）数据风之能源：小型风电系统实用指南（美）基拉什（，）等著；孟明译 北京：机械工业出版社，（低碳经济与绿色能源丛书）书名原文：风 基孟 风力发电系统 中国版本图书馆 数据核字（）第 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 号 邮政编码）策划编辑：付承桂 责任编辑：任 鑫版式设计：张晓蓉封面设计：霍永明 责任校对赵颖喆 责任印制 年 月第 版第 次印刷 印张 千字3000 册标准书号：定价：49.80元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务社 服 务 中 心：（）销 售 一 部：（）销 售 二 部：（）读者购书热线：（）网络服务 门户网：教材网：封面无防伪标均为盗版杨 曦保定市中画美凯印刷有限公司印刷译 者 的 话能源短缺和环境污染已成为当今人类社会生存和发展所要解决的紧迫问题，以清洁、可再生能源为主的能源结构逐步取代以污染严重、资源有限的化石能源为主的能源结构将成为未来发展的必然。大力发展风力发电和太阳能发电等清洁的可再生能源是实现能源、环境和社会可持续发展的有效途径。安装小型风电系统可以在高效使用能源、减少碳排放的同时，更大程度地实现能源的独立。本书是一本全面的、通俗易懂的小型风电系统的实用指南。虽然本书几乎涵盖了小型风电系统所涉及的所有内容，但是并没有过多地关注技术细节，而是从实用的角度介绍了小型风电系统，因此，你不需要具有非常深的相关专业知识就可以读懂。书中采用了大量的栏框对所涉及的重要内容进行了深入解释和说明。虽然为了通俗易懂的原因而失去了专业语言的严谨性，但是这并不影响读者对知识的正确理解。此外，虽然本书所介绍的内容主要是美国的小型风电系统，其中的一部分内容可能不适合我国的国情，但是仍然会对我国风电事业的发展起到一定的借鉴作用。原书中存在一些明显的笔误或印刷错误，在译文中已经进行了改正。此外，原书中的部分单位不符合我国的使用习惯或国家标准，为保持与原书一致，翻译过程中并没有加以改变。在本书的翻译过程中，研究生张丽美、吴海波和靖言做了一部分工作，在此表示感谢。为了本书的顺利出版，本书的策划编辑付承桂对译者的再三推迟交稿日期给予了极大的宽容，机械工业出版社未曾相识的相关领导和编辑也进行了许多工作，在此衷心地向他们表示感谢。此外，译者还得到了家人和许多朋友的帮助，在此也一并向他们表示感谢，并将此书献给他们。由于本书内容几乎涵盖了小型风电系统所涉及的各个方面，包括天文、地理、环境、数学、能源、电力、化学、机械、建筑、航空、经济、财务、医学、金融、保险和法律等学科，虽然译者极尽所能，一词一句，力争准确无误，但是因水平所限，译文中难免存在错误和不妥之处，恳请广大读者批评指正。孟明完成于多伦多前言 年夏天，我开始写这本书。那时，我刚出版了 一书，它可以帮助读者选择、开发和利用可再生能源，特别是太阳能和风能。随后电子邮件和电话接踵而至，内容都是有关太阳能发电和风力发电的技术性问题。读者以为我是该书所涉及的每一种可再生能源技术方面的专家，然而事实上，当时我最精通的技术领域是被动式太阳能加热和制冷。早在几年前我就已经出版了一本有关这一主题的书，该书的名字是 ：。尽管我已经安装了自己的风电系统，在以前的住宅中也安装了太阳能热水器，并且在洛基山脚下自己超高效的被动式太阳能住宅中，依靠独立型太阳能发电系统生活了很多年，但是除被动式太阳能系统以外，我的确不是风能和其他可再生能源系统方面的专家。年夏天，在 一书出版几个月后，我拜访了密歇根州北部的一位客户，帮她设计了一套用于小型有机农场和生态学习中心的超高效的被动式太阳能设备。她咨询我是否可以帮她设计一个为抽水泵供电的风力发电系统以便于灌溉她的农作物。我本能地答应了她，以为这不是什么难事。回家以后，我开始阅读手边能找到的有关风能的所有资料以扩充自己的知识。我可能永远不会明白我为什么会着迷于这一令人惊叹的技术及其所有复杂的技术细节，对于我所学过的任何东西，我都希望精益求精。随着知识的增加，我感觉有一种要把所有的东西写下来的强烈愿望，要为那些想了解风能但是又不想啃完上百种相关书籍和文章的人写一本书。然而，随着知识的增加，我意识到这个学科要求具备极其高水平的专业技术知识。同时，我也很快认识到需要一个真正精明强干、经验丰富和知识渊博的小型风电系统专家来帮助我，为我提供建议和指导，纠正因疏忽造成的错误，并且提供其他信息。在参加中西部可再生能源协会（前 言）每年举办的能源展览会时，我很大胆地询问 是否愿意帮助我，他是一个正好符合要求的人。是小型风电系统方面的专家。他从事小型风电系统业务的时间比任何人都要长。说尽管他的日程安排得很满，但他还是愿意帮助我。早在 年就已经涉足了小型风电工业。他在中西部可再生能源协会和太阳能国际（）组织的风电专题研讨会中授课。他为美国风能协会（）的 和 写专栏，并且已经在 杂志上发表了许多文章。他作为威斯康星州聚焦能源（）工程中小型风电项目的顾问，以及本项目中我的主要技术顾问，自始至终都在提供非常宝贵的信息和建议。差不多一年以后，我就家用和办公用可再生能源技术一系列图书的出版与 进行联系。他们对我的这些想法很感兴趣，从而我们就此展开了进一步的实施工作。在 加入之后，我加快了自身的学习和提高。我通过各种各样的团体，如中西部可再生能源协会和美国太阳能学会（）报名参加了许多有关风电的专题研讨会。对我来说最重要的学习是那些能够亲身进行实践的有关风力发电机的安装、设计和风站点评估的专题研讨会。年底，我获得了风站点评估员资格证书，那时，全美国仅有十二名获得资格证书的风站点评估员，我就是其中的一个。那一年，我又聘请了另外一位风电专家，他就是 杂志的。与 一样，在专题研讨会上讲授安装的内容，并且为 杂志撰写有关风电的文章。也提供了一部分很好的内容，那就是有关他自己应用风力和太阳能发电的情况，而且他已经脱离电网生活很多年了。是美国可再生能源实验室（）小型风电系统的专家。年夏天，在克利夫兰举办的“”一个关于小型风电系统的专题研讨会上，与 公司的 合作进行讲学。在参加完该研讨会之后，我询问 能否提供帮助。非常慷慨，自愿阅读了手稿，并提出了自己的意见，帮助我们确保了本书技术的准确性。风 之 能 源 几个月之后，我又聘请了另外一位专家，即 ，他是一名电气工 是 的昵称。程师。在他为一些风电研讨会工作时，我遇到了他。给我印象最深的是他那广博的知识以及超乎寻常的清晰地解释问题的能力，还有他对数学、物理和工程术语准确性的认真坚持。他说他非常高兴能阅读本书以帮助确保技术的准确性。我聘请他来帮助我，以确保这本为非工程师撰写的书在每一个环节都是正确的。、和 提供了极其宝贵的建议，这些建议帮助我创作出了希望是最准确的、最新且易读的有关小型风电系统的作品。没有他们的帮助，这项工作是不可能完成的。我深深地感谢他们为本书提出了睿智的、诚恳的建议以及为准确性的提高所作出的贡献。我也非常荣幸能够和这些具有伟大献身精神而且知识渊博的人一起工作。衷心地感谢他们以及本书参考文献的作者们。我也非常感谢 的朋友们，多年来，为 和 工作是非常愉快的一件事。感谢他们参加这个项目并对我充满信任，也感谢他们坚定不移地致力于创造一个可持续发展的社会。我也感谢 的全体员工，从始至终对本书进行了指导；和 为本书进行了出色的设计和编排工作；感谢我的文字编辑 ，他帮助我使本书变得更好。我也要感谢我团队中的一位新成员 博士，他是一位生物学教授，帮我为本书做了插图。与他一起工作总是一件很愉快的事情，这也是本书一个成功的很有价值的一部分。当然，我也要感谢我的家人。首先，感谢我的妻子，在本书写作的最后阶段，她一直悉心照料我，直到我从非常严重的细菌性肺炎中康复，而且她还很专心地听我谈论风力发电机和风站点评估。同时，也要谢谢我的儿子们，他们的生活一直使我感到很荣耀。年 月于科罗拉多州 埃弗格林目录译者的话前言第 章 小型风电系统简介 世界风能资源 风能利弊 风能的缺点 风能的优点 本书的目的 本书的结构第 章 风和风能 风 海陆风 山谷风 风带 科里奥利效应 暴风 摩擦、湍流和明智选址 风能中的数学 空气密度 扫掠面积 风速 小结第 章 风电系统风 之 能 源 风电系统的组成 风力发电机 塔架 风电系统的类型 并网系统 并网系统的优缺点 备有蓄电池的并网系统 备有蓄电池的并网系统的优缺点 独立系统 独立系统的优缺点 混合系统 风电系统的选择第 章 风站点评估 电力需求评估 评估现有建筑物的电力需求 评估新建筑物的电力需求 节能和效率优先 风能资源评估 直接测量 机场或气象局数据 州风力图 网上数据库 植被变形和其他因素 风力发电机的发电量 风电系统的经济效益 发电成本比较 计算投资回报率 现值法和净现值：贴现费用比较 综合分析第 章 风力发电机入门目 录 风力发电机的结构 水平轴风力发电机 小型风力发电机的改进 风力发电机的主要构件 叶片 材料 双叶片和三叶片的选择 发电机 风力发电机采购注意事项 扫掠面积 年发电量 耐久性：最大设计风速和塔架顶部重量 成本 调节系统 停止机构 噪声等级 其他因素 切入风速 峰值输出 功率曲线 额定功率 最后的因素 自制风力发电机 小结第 章 塔架及其安装 塔架类型 独立式塔架 固定拉索式塔架 斜倾式塔架 无拉索斜倾式塔架 自制塔架风 之 能 源 塔架套件 塔锚和塔基 塔基 塔锚 安全第一 塔架选址 风力发电机适当选址 影响塔架高度的因素 高塔架经济学：打破“小型风力发电机低塔架”的神话 航空安全和联邦航空局 防雷保护第 章 蓄电池 蓄电池的最佳类型 铅酸蓄电池的工作原理 任何铅酸蓄电池都能应用吗 为什么车用蓄电池不能应用于可再生能源系统 叉车、高尔夫球车或者船用蓄电池能用于可再生能源系统吗 旧蓄电池可以用于可再生能源系统吗 密封式蓄电池 蓄电池组的接线 估计蓄电池组的容量 蓄电池的存储容量：与 蓄电池的维护和安全 保暖 通风 蓄电池箱 严禁小孩入内 避免深度放电，以延长蓄电池的寿命 蓄电池的加水和清洁 均衡目 录 减少蓄电池的维护 蓄电池的保养第 章 逆变器 基于蓄电池的独立系统逆变器 变换 提高电压 方波、改进的方波和正弦波交流电 基于蓄电池的逆变器还能做什么 无蓄电池的并网逆变器 多功能逆变器 逆变器的购买 逆变器的类型 系统电压 改进的方波与正弦波 输出功率、浪涌能力和效率 逆变器的冷却 蓄电池充电器 噪声和其他考虑因素 组合功能 小结第 章 风电系统的维护 基本要求 可攀爬的塔架 斜倾式塔架 终检 小结第 章 最后考虑的问题：分区、许可证、协定、电力公司、保险和购买系统 分区、建筑许可证和限制使用财产协定风 之 能 源 地区环境保护条例 建筑和电气许可证 协定和邻居的忧虑 美学 并网：与当地电力公司合作 联系电力公司 完成细节 培养一种富有成效的关系 保险要求 财产损失投保 责任保险 风电系统的购买 结语小型风电系统简介第章1早在几个世纪以前，人类就从风中获取能源。在蒸汽动力船出现之前，腓尼基人和欧洲人等就借助风来驱动大型帆船航行于许多地图上未标明的地域。很快船舶便成为原材料以及各种商品来往于欧洲的重要运输工具。我们的先辈们也利用风来协助生产食品以及各类产品。例如，年前欧洲的风车可以将谷物磨成面粉来哺育欧洲人民。荷兰人利用风从沿海的湿地中抽水，最终将这些湿地转变为可以耕种的良田。在北美洲，风能的利用有着悠久的历史，它可以追溯到 世纪末。在这一时期，北美大平原上成千上万的农场利用风车抽水喂养家畜、灌溉花圃以及为居住于沙地的人们提供饮用水。没有风车许多农民就不能为牛、羊等牲畜甚至他们自己提供足够的水。尽管历史书上很少提及这段历史，但是从 世纪 年代至 年代初期，大平原上许多农民还安装了小型风力发电机来发电。这些风力发电机使得大平原上的生活变得更加舒适。自产的电能主要用来为照明和少量的现代化设备供电，它们包括电烤箱、洗衣机和无线电设备，这些电器设备都可以根据西尔斯的目录（）订购。当时无线电设备是一种与世界保持联系的工具。在购买风力发电机时，同时购买无线电设备会获得一定的折扣。风车和风力机风车是一种用来驱动诸如水泵这类机械负载的装置。风力机是用来驱动发电机的。风 之 能 源在农民和大牧场主中，风力发电机和抽水风车都非常盛行。美国可再生能源实验室（）的小型风力发电专家 指出，世纪 年代美国有 多家厂商生产抽水风车。根据美国能源部的国家可再生能源实验室（）统计，世纪 年代有超过 万的机械式风车（抽水泵）安装在美国的乡村（见图）。这些抽水风车有许多已经重新修复，并且至今仍在运行，多年来它们工作可靠，很少维护。图 11抽水风车（摄于科罗拉多州东南部的一个商业风电场，它曾经流行于西部和中西部地区，这种风车的制造技术非常好，以至于在 多年里从来没有过改变）风能不仅对农民是至关重要的，而且对于荒凉的西部铁路也是极其重要的，这个事实在很大程度上被历史学家忽略了。风车常用来为铁路沿线的水箱蓄水，第 章 小型风电系统简介以便为早期机车的蒸汽机供水。遗憾的是，世纪 年代末期，在美国抽水风车、风力发电机的使用开始衰落。这些技术衰亡的原因是美国农村电气化工程的大规模实施。这项工程开始于 年，其目的是为美国的农村提供电力。随着电力供应的广泛实施，风力发电机暂停使用。事实上，当地电力公司要求农民拆除他们的风力发电机，并以此作为通过日益扩大的电网为他们提供服务的条件。电网是由电力传输线路形成的大规模网络，这些电力传输线路纵横交错遍布于整个国家，它们将中心发电厂产生的电能输送给城市、乡镇和农村的客户。电网的主要优势在于它具有为那些拥有足够的财富支付电费的人提供无限量电能的能力。电网还可以为大电动机负载供电，而风电或电池系统是不可能做到的。尽管农民的生活由于农村电气化的实施而有所改善，但是 世纪 年代初期，曾经有利可图的风力发电机制造商却被迫退出了市场。然而，世纪 年代中期，由于美国以及其他国家对于能源自给自足的浓厚兴趣，风能产业又开始复苏。这种新兴的对自力更生的兴趣主要是由 世纪 年代连续发生的石油危机刺激而产生的，石油危机导致了美国石油价格飞涨和一段时期内的极其严重的通货膨胀。对于小型风力发电机，联邦政府实施了非常优惠的鼓励政策（美国联邦税收抵免），同样州政府也给予了非常慷慨的慈善援助，美国法律也进行了相应的修订，要求公用电网购买小型可再生能源发电机产生的过剩电能，这一系列鼓励措施促使风电产业迅速恢复。的公司 是生产小型风力发电机的，根据他的回忆，年间，总共安装了 台小型并网的家用风力发电机。另外，大约有 台风力发电机安装在偏远地区，它们没有和电网相连。然而，在短期内，风电产业的复苏陷入停滞，这使它成为无法控制的经济力量的牺牲品。美国的节能措施以及来自英国、俄罗斯和其他国家的新的更可靠的石油资源导致了能源价格的下降。这些因素以及联邦政府和州政府对可再生能源税收政策的终止，再加之 世纪 年代初针对可再生能源的政治环境的戏剧性转变，最终导致了美国对能源独立关注度的急剧下降。这些改变进而导致大部分羽翼未丰的风电设备制造商倒闭。事实上，在税收抵免结束 年后，在美国经营的 个左右的风力发电机制造厂商几乎全部消失了。这些信息源自于小型风电专家 （见图），他是本书的技术顾问。风 之 能 源图 12Mick Sagrillo（在照片中，他站在塔架上，自 年开始就一直在小型风电领域工作）额定功率及其单位瓦或千瓦风力发电机通常用额定功率来描述，其也称为额定输出或额定容量。额定功率是风力发电机在一定（额定）的转速下，在规定的温度和海拔下输出的瞬时功率。小型风力发电机是本书的主题，它们的额定功率为 。小型风力发电机的功率范围大概为 。大型风力发电机包括所有超过 的风力发电机。然而，大部分超大型的风力发电机的功率等于或大于。等于 或。在描述风力发电机时，通常会用到额定功率。如果通过参数来判断风力发电机的性能好坏，那么额定功率是所有参数中最没有利用价值且最具有误导性的参数之一，有关这方面的原因我们将在第 章进行解释。当你研究风能和其他能源系统时，通常都会听到专家谈论风电场或风力发电机的“容量”。他们会谈到一个 的风电场。风力发电机的容量指的是它的额定输出。如果你安装了 台 的风力发电机，你安装的风力发电机的容量是，也就是说，具有生产 电能的潜力。然而，这些风力发电机不会总是产生这么多的电能，只有当它们运行在额定风速时才会产生这么多的电能。在额定风速时，台 的风力发电机应该产生 的电能。第 章 小型风电系统简介 世纪 年代，在沉寂了近 年后，商业和家用风电产业再次兴起。风和其他可再生能源的近期流行源于对能源价格可能上涨的深切忧虑。然而，其他一些因素在风能近期的复苏中起到了十分重要的作用，这些因素包括对世界石油产量减少的深切忧虑；美国和加拿大天然气价格的急剧上涨及其供应量的下降；对全球气候变化以及由此而产生的巨大影响的关注。因为这些因素的存在，许多可再生能源的拥护者相信这次风电产业将会一直存在下去。这次很难和他们争论，因为事实摆在面前。令可再生能源的拥护者们非常高兴的是，在许多国家的陆地和海上，特别是在美国、德国、西班牙和丹麦，突然建起了许多大型商业化风电场。商业化风电场可以产生大量的电能，并且承诺要显著改变满足现代社会能源需求的方式。今天，风电是世界上增长速度最快的能源（见图）。年，风电增加了 多 （容量指的是在最优条件下电力资源的全部产量）。年，根据全球风能理事会的统计，又增加了 的容量。这些增加的容量是 年增加容量的 倍多，是 年增加容量的 倍。图 13全球风电总装机容量（图中示出了全球商业化风电的总装机容量（），年全球风电的总装机容量相当于一座 的燃煤火力发电厂）虽然商业化风电场在风电工业增长中占有大部分比重，但是小型家用风力发电机组也出现在美国和其他国家的乡村地区，它们为家庭、小型公司、农场、大型牧场和学校提供电力（见图）。甚至一些大型公司也安装了小型风力发电机（以下）为它们的设备供电。大部分小型风力发电机都会将它们生产的多余电能输送回电网。风 之 能 源图 14安装在塔架上的小型风力发电机（图中所示为一台 型小型风力机，在一次专题研讨会期间，安装在 住宅旁边的拉索式格型塔架上，可以通过攀爬塔架对其进行维护）少数风能的开拓者也已经对捕获风能为家庭供暖的方法进行了探索，但是他们在市场上获得的成功还是非常有限的。此外，许多帆船也配备了 以下的小型风力发电机为电灯、风扇和电冰箱供电，它们通常称为微型风力发电机（见图）。有时农场主和农民使用风力发电机为电围栏、牲畜蓄水箱和远方的照明提供电力，也就是说，为小型专用负载单独架设一条输电线路是不经济的。在美国阿拉斯加州的偏远地区，我看到过采用小型风力发电机为公园的设施供电。在不发达国家，风电渐渐被选择用来为偏远的乡村供电，从中心发电厂架设一条输电线路到这些偏远地区的费用是非常高的。在一些发达国家的偏远地区，风电的应用甚至已经形成了一定的规模。例如，在法国，政府宁可在比利牛斯山脚下的农场投资建设风力和太阳能发电系统，也不愿为这些偏远的地方架设可以第 章 小型风电系统简介图 15帆船用风力发电机）微型风力发电机（图中所示为由 提供的微型风力发电机，它们经常应用在帆船上为蓄电池充电，通过蓄电池再为无线电设备、电灯、电视和电冰箱等负载供电）微型风力发电机（图中所示为用于海运的微型风力机，其设计要能承受住恶劣环境的考验。它是由 生产的微型风力发电机）风 之 能 源远程控制运行的输电线路。即使蒙古的牧民也自己携带小型风力发电设备为他们的蒙古包提供电力。为了给牲畜寻找新的牧草，他们每隔几周便要迁移一次，那时，他们就把风电设备打包，然后放在驮兽的背上运输。很显然，风为人类服务已经有很长的历史了，现正在崛起之中。风能的拥护者坚信在不远的将来风可能会成为电能的主要来源。世界风能资源尽管风能的普及已经达到了历史新高，并且每年还在继续增长，但是它的潜能有多大？风能成为未来的主要能源吗？风是一种无处不在的资源。虽然它在世界上的分布不是很均匀，但是在每个大陆上都发现了可观的风力资源。全球范围内的风力资源是十分惊人的。根据位于华盛顿的一家对于未来可持续发展发挥着巨大作用的非营利组织 世界观察研究所（）的报告，开发利用世界上风力资源丰富地区的风能，理论上可产生的电能是目前全世界所产电能的 倍多。在北美洲，大平原和北部许多国家一年中的大部分时间都具有非常丰富的风能资源。沿太平洋、大西洋和北美五大湖的岸边地区，全年都有很丰富的风能资源。对北达科他州和南达科他州或南达科他州和得克萨斯州等这些美国风能资源丰富的地区的风能进行开发利用，其所产生的电能足以满足全美国所有的电力需求。风能的拥护者们如世界观察研究所（）估计在许多国家风电能够提供 的电力消费。而其他一些人甚至认为风电可以提供得更多。风电是否能够满足全世界所有的电力需求呢？是的，理论上是可以的。如果我们能够创造性地找到存储电能的方法，并且能够通过电网将存储的电能输送到各个国家。这个会实现吗？可能不会。其他可再生和不可再生能源在满足我们的能源需求中也发挥着一定的作用。然而，未来风能非常可能在全世界许多领域发挥巨大的作用。公司用风力发电机组和更小范围的家用风力发电机组将产生大量的电能输送给家庭、公司、农场和大型牧场。商业太阳能发电设施以及家庭和公司太阳能发电系统也会产生大量的电能。由大型电力公司经营管理的太阳能热发电系统，通常也称为集中太阳能发电，这将和前述系统进行融合进而形成一个联合系统。第 章 小型风电系统简介风能能够解决所有的问题吗？是一位风电专家，也是本书的作者兼技术顾问，他指出：“风能能够解决所有的问题吗？这个问题本身可能具有误导性。风能只是整个问题的一个组成部分，根本就不存在万能的解决方案。我们所需要做的是沿着正确的方向前进。如果我们所需要能源不能从可再生能源中获得，世界也不会灭亡。如果我们不沿着这个方向前进，那么世界就可能会灭亡。”太阳的潜能和风一样也是十分惊人的。例如，据估计太阳光照射到康涅狄格州这么大面积上的能量就可以满足整个美国的电力需求。虽然没有人提出要建设这么庞大的太阳电池阵列，但是住宅、办公楼和学校安装的太阳电池组以及位于最佳位置的商业太阳能发电设施能够提供相当巨大的电能，这可以作为风电的补充，如图 所示。图 16太阳电池阵列（在可再生能源经济中，太阳能发电的大规模建设可以作为风能、水能、生物能等其他可再生能源以及燃料的补充）风 之 能 源地热能和生物能也是一种可利用的能源。生物能资源是指诸如木材碎片一类的植物体，它们可以直接燃烧产生热量进而产生水蒸气用来发电。植物体如玉米也可以转化为气态或液态燃料，将它们进一步燃烧可产生电能。动物的粪便也可以用来产生甲烷，它是天然气的主要组成部分。未来水力发电将会继续发挥自己的作用。同时，我们也不要忘记，在未来许多年之内传统燃料如石油、天然气、洁净煤和核能在整个电力联合系统中仍会发挥自己的作用。尽管有些批评家有些不同的言论，但是可再生能源（包括风能）已经成为现实并将持续下去，而且很可能对我们未来的能源发挥重大作用。这个原因很简单，因为化石原料是有限的。石油会在 年内枯竭。现在世界范围内的生产速度都在下降。天然气的产量在不远的将来也会达到极限。然而，为太阳能发电系统和风力发电系统分别提供太阳能和风能的太阳至少还会存在 亿年。风能利弊风看似是一种理想的能源，它缓解了世界所面临的许多最紧迫的问题，但和所有的能源一样，风能也有它的优点和缺点。我们首先看一下它的弊端。风能的缺点当你读到风能缺点的时候，你会发现它们当中许多都与大型商业化风电工程有关。反过来，这些担忧渐渐扩散影响到了小型风电项目，这是很不公平的。你也将会发现，虽然风能确实有些明显的问题，但是其中有些是认知问题，它们是由于误解以及一部分反对者的欺骗而引起的。在后续的内容中，我们一定会将这些问题指出来。我们也会对那些不公正的批评进行反驳，你会接受到一种公正无偏袒的观点。风能的易变性和可靠性也许风能最主要的问题就是在大多数地区风不可能一直都存在。和太阳能一样，风能也是一种可变的资源。一台风力发电机可能会连续运行四天，然后会停止工作两天。在大多数地区，通常风在秋天、冬天和早春的时候最强，但在夏季的几个月里就会减弱。甚至在一天的不同时间风都会变化。早晨可能有风，然后在接下来的几个小时内风可能会渐渐平息，而在下午晚些时候又可能出现一阵风，然后整个晚上风第 章 小型风电系统简介都在吹。即使风是一种可变的资源，它也不是完全不可靠的。就像太阳能一样，你每年都可以获取一定量的风能。通过巧妙的计划和精心的设计，你就可以设计出一个风电系统来满足你的部分或全部的电力需求。在独立型风力发电系统中，安装蓄电池组来存储多余的电能，可以应对风易变的本性以获取更多的效益。在没有风或电力需求超过风力发电机的输出时，存储的电能可以为家庭或办公室供电。在很多系统中，多余的电能也可以存储在电网中。也就是说，当风电系统产生的电能多于家庭或公司的用电需求时，多余的电能可以输送给电网。在电能缺乏的时候，可以从电网中吸收电能（电网就像一个具有无限大容量的蓄电池组可以存储多余的电能）。你可以设计一个并网型风力发电系统来满足你的部分或全部的电力需求（我们将在第 章中详细讨论独立型和并网型风力发电系统）。风的易变性也可以通过将小型风电系统和其他的可再生能源系统联合起来进行弥补，例如太阳能发电系统或微型水电系统，这些称为混合系统。当太阳光照射到太阳能组件中的电池表面时，太阳能发电系统或光伏发电系统就会发电。微型水电系统可将家庭或公司附近的小溪或河流中流水的能量转化为电能。混合系统可以通过设计来满足全年的电力需求。你将会在第 章中看到，家用风力发电机组也可以由小型汽油或柴油发电机来补充。“作为一种能源，对于每天来说，风能比太阳能更难预测，但在特定的一天，通常会有几个小时是可以捕获到风能的。当可再生能源专家比较可再生能源系统时，例如将风力发电与太阳能发电相比较时，风被认为是不可靠的，甚至将其作为问题进行讨论。一些专家错误地认为，太阳能发电比风力发电的可靠性更高。然而，风的可靠性比你想象的要高。为了便于理解我们所说的内容，先让我们看一下设备利用率这个概念，它是一种用于比较不同发电技术的测量方法。设备利用率就是一台发电机工作一段时间实际输出的电能与相同工作时间内在额定功率下工作时输出电能的比值。例如，我们假设你生活在一个每天的光照高峰时间为 且可用于光伏发电的地区，那么这个地区的光伏发电的设备利用率就是每天 除以每天，大约为。风 之 能 源在设备利用率较低的另外 个州中，大多数固定的光伏发电系统的设备利用率为 ，它们随地区的不同而不同。根据 的计算，小型风电系统设备利用率的范围是 。因此，光伏发电系统和风力发电系统的设备利用率是大致相同的。风力发电的设备利用率这样高是因为风力发电机无论是白天还是晚上也不管是晴天还是阴天都可以工作。此外，获得太阳能和风能的时间经常不同，所以这两种技术可以非常好地相互补充。混合系统可以增加一个地区的发电量，也可以减少每小时、每天和每个季度发电量的变化。鸟类和蝙蝠的死亡率在讨论风能时，另一个经常引起的认知问题是鸟类和蝙蝠的死亡。遗憾的是，这个问题已经不合理地影响到小型和大型两种风力发电机。尽管一只鸟可能会偶然丧生在正在旋转的家用风力发电机的叶片中，但是这种事情是极其罕见的。意识到只有一种情况会导致鸟的死亡，那就是当一只鹰飞入小型风力发电机时。在他发表的一篇名为“风力机和鸟”的文章中指出“因为家用风力发电机的叶片相对比较小，塔架的高度也相对比较低，所以家用风力发电机过小和分散不会对鸟类产生威胁”。这篇文章是由 刊登的，它是威斯康星州的一项可再生能源工程。唯一有文献记载的有一定意义的鸟的死亡事件发生在大规模的商业化风力发电机上，但是即使那样，鸟的死亡数目也是极其少的。我们认为，由于鸟的死亡或者有时候一些反对风能发展的个人和组织采用不诚实的伎俩，而认为风能应该停止发展的论点是片面的。如果公民和政府也要认真对待鸟类死亡的事件，我们就应该禁止真正的导致鸟类死亡的致命因素，这些因素我们将在随后的附栏中进行讨论。它们包括家猫、公用输电塔、汽车、农药和透明玻璃窗。我们甚至应该禁止耕作，因为它破坏了鸟类的栖息环境，耕作中使用的农药也会毒害鸟类。研究也表明尽管在某些地方蝙蝠也会被大型的商业化风力发电机杀害，但是这样的事件是很少发生的。据研究人员统计，在某些地方，大型风力发电机平均每年杀死 只蝙蝠。蝙蝠的死亡和鸟类的死亡一样都是令人遗憾的，但是没有证据表明在大型或小型风力发电机附近的蝙蝠的数量会受到它们的威胁。还有其他一些因素对蝙蝠的死亡负有很大的责任，其中包括农药、生存环境的破坏、灯塔、通信塔、电力线路、栅栏和冬眠时人类的骚扰。要想了解这方面的更多信息，可以查阅 题为“蝙蝠和风力发电机”的文章，它发表在 年 月份出版的美国风能协第 章 小型风电系统简介会（）的期刊 上。鸟类死于商业化风电场：事实还是杜撰尽管商业化风力发电机确实导致了少量的鸟死亡，但科学研究表明这个问题被过分夸大了。这些研究显示鸟类死于大型商业化风力发电机的数量与死于常见原因的数量相比显得微不足道，这些常见原因包括家猫、电力传输线路、透明玻璃窗、农药、机动车和通信塔，见表。在世界范围内，因为这些原因导致每年有上亿甚至可能是 亿只鸟死亡。另一方面，商业化风力发电机只杀害了数量极少的鸟。那么为什么要风电背负这么一个不光彩的名声呢？表 美国每年因为各种原因死亡的鸟的估计数量鸟类死亡的原因每年死亡的估计数量被猫杀死 亿或更多被电力传输线撞死或电死 亿被玻璃窗撞死 亿被农药毒死 亿被机动车撞死 亿被通信塔撞死 亿在美国历史最长、容量最大的风电场中，有一座风电场的风力发电机遭受到很严厉的指责，它位于加利福尼亚州的阿尔塔蒙特山口的风力资源区。阿尔塔蒙特山口位于旧金山正东，令人难以置信的是这里安装了 台风力发电机。同时，它也是大量肉食鸟的栖息地。当风力发电机安装完成之后不久，许多鸟就开始栖息在风塔上搜寻丰富的猎物（如地面上的松鼠和其他啮齿动物），这些猎物全年都生活在塔架下面的草丛中。当肉食鸟捕猎地面上的猎物时，有一些就飞入了风力发电机的叶片中，从而导致了它们的死亡。对鸟类死亡持续两年的研究表明，在这段时间内，那个地区只有 只鸟死亡。尽管任何肉食鸟的死亡都会引起我们中那些珍爱野生动物的人们的关注，但是在阿尔塔蒙特地区因风力发电机而造成的鸟类的死亡率与因为其他原因造成的鸟类的死亡率比起来是微不足道的。猫可能是鸟类遭遇到的最致命的天敌。一个研究表明，一只野猫在一周之内杀死的鸟的数量与一台大型商业风力发电机在 年内杀死的鸟的数量相当。风 之 能 源去掉猫的爪子似乎也没有多少帮助。根据一个研究人员的报告，大部分的猫（）杀死鸟类，甚至去掉爪子的猫和食物充足的猫也会捕食野生鸟类。将猫阉割或去除卵巢似乎也不能减少它们的猎食。仅在美国就有超过 万只猫，这些猫造成的鸟的总损失将会是多少呢？没有人确切地知道，但是如果威斯康星州鸟类死亡的数量反映了全美国总的情况的话，那么美国的鸟类正在被覆有毛皮的猫科动物大量捕杀而逐渐减少。仅在威斯康星州，研究人员就估计每年猫会杀死大约 万只鸟。在全美国范围内，估计有 亿只左右，或者可能会更多。美国风能协会（）指出：“即使利用风力发电来满足美国所有的电力需求，以现在鸟类死亡的比率，风力发电也只能对人类所导致的每 只鸟的死亡中的 只负有责任”。另外，每年都有 亿只鸟因与全美国范围内纵横交错的输电线相撞或者触电而死亡。许多猛禽、水鸟和其他大型鸟类因它们的翅膀搭接在两条带电的线路上触电而死亡。根据另一份报告，还有 亿只鸟是因飞向窗户而撞死的，这大部分发生在乡村地区。每年农药毒死的鸟估计有 万。根据美国风能协会“风能和鸟的事实资料”（）的报告，科学家估计在美国每年大约有 万只鸟因机动车撞击而死亡。还有另外 万只鸟因飞向通信塔及其固定钢缆线而撞击身亡。对威斯康星州奥克莱尔的一个电视发射塔的研究表明，在连续 个夜里，每夜它都能杀死 多只鸟，该塔曾有一夜时间杀死 只鸟的记录。在堪萨斯州有一个与之类似的塔，一夜时间就杀死了 只鸟。此外还有 万只鸟因与高楼大厦、烟囱和塔等高大的建筑物相撞而死亡。显然，与其他许多主要致命因素相比较，阿尔塔蒙特山口风电场所造成的结果并不很严重。另外阿尔塔蒙特只是一个特例。美国没有其他与阿尔塔蒙特的鸟类死亡率十分接近的风电场。这又是为什么呢？当代的风能开发人员都将新的风电场选择在远离鸟类迁徙路线的地方。商业风力发电机也在设计上进行了改进以减少商业风电场中鸟类的死亡。经过这些年的改善，风力发电机越来越高，叶片越来越长，叶片旋转的速度大大下降。对鸟类来说，这些大型的、转速缓慢的叶片更容易避开。目前正在开发的商业风力发电机越来越大，这可能会在很大程度上降低鸟的死亡风险。由图 可知，大型商业风力发电机是导致鸟类死亡的微不足道的因素。第 章 小型风电系统简介图 17图中表示的是因各种因素导致鸟类死亡的相对数量（从图中可以看出，风力发电机只对每年鸟类死亡总数中的很小一部分负有责任）“如果使风力发电机的数量增加一倍，”补充说，“我们才占到 。如果使风力发电机的数量增加，我们才占到 ！例如，为了采煤山顶被移除，从而导致鸟类的栖息地被破坏，这不知杀死了多少只鸟，而且这是永久性的！”要想进一步了解更多有关降低鸟类死亡的措施，请查阅美国风能协会网站上的一篇名为“风电和鸟的事实资料”的报告，其网址是：。已经撰写了几篇有关这一主题内容的文章，你可以登录 这个网站查阅。在左下方点击“小型风电工具箱”。审美观风力发电机的另一个缺点是一些人不喜欢它们的样子或者认为它们破坏了自然美。一些人很讨厌看到家用风力发电机或者商业风电场，然而另外一些人却认为它们是很美丽的风景。说来颇有讽刺意味的是，那些认为风力发电机很不雅观的人常常忽略了我们身边存在很多种破坏景观的形式，例如移动通信塔、水塔、电力传输线路、无线电广播塔和广告牌。公平地说，风塔和普通影响景观的物体有所不同。例如，风力发电机旋转的叶片常常会引起人们的注意。另外一个原因是我们已经逐渐习惯了无处不在的电力线和无线电广播塔。因此，很多人根本注风 之 能 源意不到它们。还有另外一个不同之处在于我们经常忽视的那些建筑都是没有经过公众同意就建起来的。也就是说，它们不需要举行公众听证会。人们对于是否要修筑它们这个问题没有选择权，而且最终大家都渐渐习惯了它们的存在。指出，如果赋予公众反对在其可视区域内修筑建筑物的权利 例如，在一个公众听证会上请求允许安装一个家用风电系统，很多邻居都会非常愿意地说出自己的反对意见。在美国风能协会（）的期刊 上有关美学的一篇文章中指出，“任何试着在公众听证会上处理有关美学问题的人都非常清楚为什么艺术从来都不是由委员会创造的”。当有关商业风电发展的论战正在进行的同时，家庭用户或公司用户开始尝试安装小型风电系统以满足他们的需求，这又进一步引发了个别人与人之间关于风电的论战。如果支持风电发展的人了解到风车最初进入荷兰的时候也是被一些人厌恶的，他们可能会感到一些安慰。在这方面，另外一个很好的例子就是最近安装在罗得岛州朴茨茅斯修道院学校中的一个大型商用风力发电机，它最初引来了很多的批评，但是现在却赢得了社区居民广泛的喜爱。在第 章中，我们将会讨论一些方法，这些方法可以帮助人们防止和解决邻居们源自美学考虑的反对意见。相反的观点“我认为我们的目标应该是做到将风力发电机安装在居民住宅附近而不致引起居民的恐惧。”认为，“最好和你的邻居们建立良好的关系，使他们对可再生能源感到兴奋。然后问题就变成 我能