大型橋梁的風能利用可行性研究

大型橋梁的風能利用可行性研究提綱前言主題一風能簡介二風力機簡介三橋梁簡介四國內(nèi)外在大型橋梁對風能利用的況五大型橋梁對風能利用的意義總結(jié)前言隨著經(jīng)濟的發(fā)展，煤炭、石油等資源短缺的形勢越來越緊張，目前及今后很長的一段時期內(nèi)我國的電力的需求與供應將會持續(xù)存在較大的缺口，因此，發(fā)展可再生能源發(fā)電成為緩解資源緊張局面的必要途徑，我國風力資源豐富，再生能源中的風力發(fā)電是當前現(xiàn)實的選擇，隨著發(fā)達國家對二氧化碳減排義務的承諾,風力發(fā)電受到了許多國家的重視,成為未來能源的重要來源。風力發(fā)電包含兩個能量轉(zhuǎn)換過程：即風力機將風能轉(zhuǎn)換為機械能和發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能。這就有了必要的條件：一：安裝風力機；二：有足夠的風能來帶動風力機。安裝風力機有很多要求：確定當?shù)氐闹黠L向,風力機應安裝在主風向的上風頭。例:內(nèi)蒙古大部分地區(qū)盛行西北風,那么風力機應安裝在房屋的西北方向,以減少房屋對風的遮擋作用。

②同時要求在風力機的上風頭盡量沒有其他房屋或樹木等障礙物的存在。

③盡量避免風的紊流的影響,紊流是風在流經(jīng)粗糙地表或障礙物而引起風速風向的急劇變化而造成的。紊流造成風力機輸出功率減小并引風力機振動,造成噪音和影響使用壽命。為了避免紊湍流的影響,風力機應安裝在相對開闊無遮擋地方,離開房屋一定距離。

④風力機風輪高度范圍內(nèi)的風速垂直切變要小,風速的垂直切變是指在高度方向各個層面的風速不同,這是由于地形和地面粗糙度所引起的,垂直切變使風輪葉片受到分布不均勻的力的作用,容易造成風輪損壞。為了避免風速垂直切變對風輪的影響,應選擇合適的風力機安裝高度。根據(jù)橋梁位置較高、架空和所處空間開闊等特征，可把橋梁作為風力機的載體，如果在安裝風力機后橋梁的性能依舊能夠符合各項參數(shù)指標，那么橋梁的作用將得到更一步的提升，也將更全面的利用橋梁的空間。主題一：風能簡介風力發(fā)電機簡介國際上利用風力發(fā)電是本世紀發(fā)展壯大起來的，隨著風電技術(shù)不斷進步，容量逐步增大，單機容量已達幾百千瓦，并有兆瓦級風力發(fā)電機問世，近十幾年來風力發(fā)電機產(chǎn)品質(zhì)量有了顯著提高，作為一種新的，安全可靠的，干凈的能源而受到國際上風資源豐富國家的關(guān)注與大規(guī)模開發(fā)。目前，世界上風電總裝電容量約為7000MW，美國最多，約有1700MW。中國是風資源豐富的國家，特別是新疆、內(nèi)蒙古與沿海地區(qū)。我國風力發(fā)電在八十年代開始發(fā)展，初期大多是獨立運行戶用百瓦級風電機組，安裝在邊遠，孤立無電地區(qū)供農(nóng)牧民使用。近年來，大型并網(wǎng)風力發(fā)電機組引入我國，多臺風電機組安裝在風資源豐富地區(qū)組成風電場，接入地區(qū)電網(wǎng)供電，現(xiàn)在，我國并網(wǎng)風電機組裝機總?cè)萘考s為100MW。風電的優(yōu)越性可歸納為下面五點：風力發(fā)電是一種干凈的自然能源，沒有常規(guī)能源（如煤電，油電）與核電會造成環(huán)境污染的問題。風電技術(shù)日趨成熟，產(chǎn)品質(zhì)量可靠，可用率已達95%以上，已是一風力發(fā)電是一種干凈的自然能源，沒有常規(guī)能源（如煤電，油電）與核電會造成環(huán)境污染的問題。風電技術(shù)日趨成熟，產(chǎn)品質(zhì)量可靠，可用率已達95%以上，已是一種安全可靠的能源，風力發(fā)電的經(jīng)濟性日益提高，發(fā)電成本已接近煤電，低于油電與核電，若計及煤電的環(huán)境保護與交通運輸?shù)拈g接投資，則風電經(jīng)濟性將優(yōu)于煤電。風力發(fā)電場建設工期短，單臺機組安裝僅需幾周，從土建、安裝到投產(chǎn)，只需半年至一年時間，是煤電、核電無可比擬的。投資規(guī)模靈活，有多少錢裝多少機。

目前商用大型風力發(fā)電機組一般為水平軸風力發(fā)電機，它由風輪、增速齒輪箱、發(fā)電機、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等部件所組成。風輪的作用是將風能轉(zhuǎn)換為機械能，它由氣動性能優(yōu)異的葉片（目前商業(yè)機組一般為2—3個葉片）裝在輪轂上所組成，低速轉(zhuǎn)動的風輪通過傳動系統(tǒng)由增速齒輪箱增速，將動力傳遞給發(fā)電機。上述這些部件都安裝在機艙平面上，整個機艙由高大的搭架舉起，由于風向經(jīng)常變化，為了有效地利用風能，必須要有迎風裝置，它根據(jù)風向傳感器測得的風向信號，由控制器控制偏航電機，驅(qū)動與塔架上大齒輪咬合的小齒輪轉(zhuǎn)動，使機艙始終對風（見圖一）。1:輪轂（裝葉片）2:傳動系統(tǒng)3:增速齒輪箱4:剎車系統(tǒng)5:電機6:塔架7:風速風向儀圖一風電機組的功率調(diào)節(jié)有兩種方式，一種是失速調(diào)節(jié)，另一種是變槳距調(diào)節(jié)—即葉片可以繞葉片上的軸轉(zhuǎn)動，改變?nèi)~片氣動數(shù)據(jù)，實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)；整臺機組由電控系統(tǒng)進行監(jiān)視與控制，可以實現(xiàn)無人操作管理。風能是一種無污染的可再生能源，它取之不盡，用之不竭，隨著生態(tài)環(huán)境的要求和能源的需要，新能源的開發(fā)日益受到重視，由于風力發(fā)電經(jīng)濟性日益改善，因此國家對風力發(fā)電已制定了發(fā)展計劃，提出2000年風電裝機40MW以上的奮斗目標，為二十一世紀大規(guī)模開發(fā)風電打下良好的基礎。三：橋梁簡介橋是一種架空的人造通道。由上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)兩部分組成。上部結(jié)構(gòu)包括橋身和橋面；下部結(jié)構(gòu)包括橋墩、橋臺和基礎。它們高懸低臥，形態(tài)萬千，有的雄距山岙野嶺，古樸雅致；有的跨越巖壑溪間，山川增輝；有的坐落鬧市通衢，造型奇巧；有的一橋多用，巧奪天工。不管風吹雨淋，無論酷暑嚴冬，它們總是默默無聞地為廣大的行人、車馬跨江過河，飛津濟渡。建橋最主要的目的，就是為了解決跨水或者越谷的交通，以便于運輸工具或行人在橋上暢通無阻。若從其最早或者最主要的功用來說，橋應該是專指跨水行空的道路。故《說問解字》段玉裁的注釋為：“梁之字，用木跨水，今之橋也?！闭f明橋的最初含意是指架木于水面上的通道，以后方有引伸為架于懸崖峭壁上的“棧道”和架于樓閣宮殿間的“飛閣”等天橋形式。我國山川眾多、江河縱橫，是個橋梁大國，在古代無論是建橋技術(shù)，還是橋梁數(shù)量都處世界領先地位。千百年來，橋梁早已成為人們社會生活中不可缺少的組成部分。但由于我國幅員遼闊，從南到北，從東到西，在地理氣候、文化習俗以及社會生產(chǎn)力發(fā)展水平上，都存在較大的差異。因此，各自立足于自己的實際條件和根據(jù)自己的需要，經(jīng)過長期的時間，遂創(chuàng)造出多種多樣的橋梁形式，并逐步形成了自己的特色。橋梁主要有三種類型： 梁橋 拱橋 吊橋這三種類型最大的不同之處在于其單跨距的長度?？缇嗍莾蓚€橋梁支柱之間的距離，不管它們是橋柱、橋塔還是峽谷的峭壁。例如現(xiàn)代梁橋的跨距可以達到60米，而現(xiàn)代拱橋的跨距可以輕松達到240到300米。吊橋是橋梁技術(shù)的金字塔尖，它的跨距能夠達到2,100米。為什么拱橋的跨距能夠比梁橋長得多？為什么吊橋的跨距能夠達到拱橋的7倍？答案就在于各種橋梁如何處理兩種力——壓力和拉力： 壓力是物體所作用的擠壓或收縮力。 拉力是物體所作用的擴張或拉伸力。彈簧是我們每天常見的有關(guān)壓力和拉力的例子。下壓彈簧或?qū)椈傻膬啥藬D向一起的時候，即將其壓縮。壓力會讓彈簧變短。上拉彈簧或者將其兩端向外拉時，即將其拉伸。拉力會讓彈簧伸長。所有的橋梁都會受到壓力和拉力，橋梁設計的任務就是妥善處理這些力而不會出現(xiàn)彎曲或拉斷。當壓力超過物體的承受能力時就會發(fā)生彎曲，當拉力超過物體的承受能力時就會造成拉斷。處理這些力的最佳方式就是將其分散或轉(zhuǎn)移。分散就是將其散布到更大的面積，避免出現(xiàn)某個點集中受力。轉(zhuǎn)移就是將其從強度較弱的區(qū)域移到專門設計的受力區(qū)域。拱橋就是將力分散的很好的例子，而吊橋則是將力轉(zhuǎn)移的范例。梁橋有多種不同的類型，取決于桁架的設計、位置和材料。在工業(yè)革命剛開始時，美國的梁橋建筑發(fā)展得非常迅速。設計師提出了很多種不同的桁架設計和材料。木橋被純鐵或木鐵混合結(jié)構(gòu)取代。在這個時期里，不同的桁架風格也有重大的進步。早期的設計中有一種十分流行的樣式叫做豪氏桁架。這種設計由威廉?豪于1840年獲得了專利。他的創(chuàng)新并不在于桁架的樣式。它與已有的主梁型樣式有點類似，不過在對角的木柱支撐之外，還使用了垂直的鐵柱支撐。當今的很多梁橋仍然在桁架中使用豪氏樣式。。單個梁不管跨距多大，都會同時承受壓力和拉力。梁的頂部承受最大壓力，而底部承受最大拉力。中部則承受很少的壓力或拉力。如果在梁的設計上頂部和底部使用較多材料，而中部使用較少材料，則可以更好地承受壓力和拉力（因此，工字型梁比簡單的矩形梁更堅固）。桁架結(jié)構(gòu)將這種概念向前推進一步。桁架橋的一側(cè)被看作單個梁。梁的中部由桁架的斜構(gòu)件構(gòu)成，而桁架的頂部和底部代表梁的頂部和底部。用這樣的方式來觀察桁架，我們會發(fā)現(xiàn)梁的頂部和底部比中部所用的材料更多（瓦楞紙板非常堅硬就是因為這種原因）。除了上面提到的桁架結(jié)構(gòu)效果以外，桁架比單個梁更堅固的原因還有一個：桁架能將載荷分散到桁架結(jié)構(gòu)各處。桁架通常由各種不同的三角形構(gòu)成，形成了非常堅固的結(jié)構(gòu)，并且將載荷從一個單點轉(zhuǎn)移到范圍很大的區(qū)域。拱橋是一種半圓形結(jié)構(gòu)，兩端各有橋墩。拱形半圓形的設計自然地將橋面的重量轉(zhuǎn)移到橋墩上。壓力拱橋始終為受壓狀態(tài)。壓力沿著拱形的弧面向外傳遞到橋墩上。拉力拱橋的拉力可以忽略。拱橋的自然弧線及其將力向外擴散的能力能夠大大降低拱橋下側(cè)所受拉力的影響。不過曲率越大（拱橋的半圓越大），下側(cè)所受的拉力影響就越大。正如前面所提到的，拱橋本身的形狀足以將重量從橋面中心向橋墩分散。和梁橋的情況相似，拱橋在尺寸上存在的限制最終會超過其自然強度。吊橋是用纜索（或繩索、鏈條）拉起并跨越于河流之上（或者遇到的其他障礙物），而橋面則懸掛在這些纜索上。現(xiàn)代吊橋有兩座用于固定纜索高塔。這樣，橋塔就支撐了路面的絕大部分重量。壓力壓力向下擠壓吊橋的橋面，但由于它是懸吊的路面，纜索會將壓力轉(zhuǎn)移到橋塔，橋塔再直接將壓力分散到固定它的地面。拉力支撐的纜索系在兩個錨點之間，是拉力的主要承受者。由于橋重量和穿行于錨點之間汽車的重量，纜索會被拉長。錨點也會承受拉力，不過由于它們與橋塔一樣非常穩(wěn)固地與地面連接，所受的拉力會被分散開來。除了纜索以外，幾乎所有的吊橋在橋面底下還有支撐的桁架結(jié)構(gòu)（上承式桁架）。這可增加橋面強度，減弱路面搖擺和顛簸的傾向。四：國內(nèi)外在大型橋梁上對風能利用狀況世界能源消耗量的持續(xù)增加．使全球范嗣內(nèi)的能源危機形勢愈發(fā)明顯．開發(fā)可再生能源以緩解能源危機、實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展已成為世界各國能源發(fā)展戰(zhàn)略的重大舉措。風能因其在全球范圍內(nèi)的蘊藏量巨大、可再生、分布廣、無污染的特性，使風力發(fā)電成為世界能源發(fā)展的重要方向。近幾年來，世界風力發(fā)電裝機容量平均每年大約以30％的速度增長。中國作為世界化石能源消費的主要圍，在面臨化石燃料發(fā)電所帶來的嚴重的環(huán)境污染危機下．為解決能源問題．大力開發(fā)和利用風力發(fā)電。近2a來風力發(fā)電的增長速度遠超其他國家。截至2008年底．全球風力發(fā)電裝機容量達到121188MW。比2007年增加了27261MWtll。近年全球風力發(fā)電裝機容量和新裝機容量變化情況圄l1997—20lo年全球風力發(fā)電裝機容量變化情況(2009--2010年的數(shù)據(jù)為全球風力發(fā)電的預測值)(1)2008年風力發(fā)電裝機容量持續(xù)增長，增長速度為29％．預測今后幾年仍將繼續(xù)增加。(2)截至2008年底，全球安裝的所有風力渦輪機發(fā)電量可達260TW№，超過全球電力消耗的1．5％tn。據(jù)國際能源署報道．到2009年風能在非水能現(xiàn)代可再生能源的利用中增長餐最大當今世界大力發(fā)展風能發(fā)電，這就需要大量的風場，對土地資源將會有很大的占用。風力機的安裝需要架高、空曠的地域，然而大型橋梁有著足夠的空間，一直以來都是被擱置，沒能被充分利用。

為了保障汽車和火車能夠快速平穩(wěn)地前進，或者為了找到一條捷徑，不少地區(qū)在修建高速公路和鐵軌的過程中都需要建設橋梁。而這些橋梁往往有破壞生態(tài)環(huán)境的可能。意大利設計師提出了一種太陽風橋的創(chuàng)意，可把這些橋梁變成利用太陽能和風能發(fā)電的環(huán)保橋梁。

在修建橋梁的過程中，免不了要破壞當?shù)氐闹脖唬瑢Ξ數(shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成一定的影響。意大利的橋梁設計師弗朗西斯科·克拉羅斯發(fā)現(xiàn)，如果把橋梁改造成能產(chǎn)生綠色能源的載體，就可以大大減少當?shù)氐奶寂欧?，算是對保護當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境作出一定的補償。根據(jù)橋梁所擁有的架空、較高和所處空間開闊等特征，把橋梁作為太陽能和風能發(fā)電的載體是再好不過的了。

弗朗西斯科等人把他們設計的環(huán)保橋梁稱之為太陽風橋。在意大利政府舉辦的“太陽能高速公路”設計競賽中，這項作品獲得了優(yōu)勝獎。在大部分需要修建橋梁的山區(qū)和沿海地區(qū)，風能和太陽能的資源都十分豐富。因此，太陽風橋的創(chuàng)意是可行的。太陽能電池板主要安裝在太陽風橋的路面上，也可以覆蓋在支撐橋梁的立柱上。在兩個立柱之間的空隙中，則可以安裝大量的風力發(fā)電機。風力發(fā)電機的規(guī)格并不完全相同，大小有所差異，這樣可以充分利用垂直空間。

據(jù)設計人員估算，平均每公里橋梁產(chǎn)生的光電和風電，可以滿足750戶家庭的日常生活用電。如此推算，每千公里的橋梁則可滿足75萬戶家庭的日常生活用電，而世界上不少國家的橋梁里程都超過1000公里。比如，在中國，僅公路橋梁里程就超過2.5萬公里。如果在這些橋梁上都安裝太陽能電池和風力發(fā)電機，發(fā)電量將是很可觀的如今有科技工作者將大型橋梁風能利用作為研究課題，如果這一研究得到成功，將會更有效的利用橋梁的空間，也將對能源的供給給予貢獻，對環(huán)境也會做出保護。五大型橋梁風能利用的意義1.風能的優(yōu)越性與弊端：風力發(fā)電是一種干凈無污染的可再生自然資源，取之不盡用之不竭，沒有常規(guī)能源（煤電、油電、核電）會造成環(huán)境污染的問題。風電技術(shù)日趨成熟，產(chǎn)品質(zhì)量可靠，能源可用率達95%以上。風力發(fā)電的經(jīng)濟性日益提高，發(fā)電成本較低，低于油電和核電，如果計及煤電的環(huán)境保護及交通運輸?shù)韧顿Y，風電成本也低于煤電。風力發(fā)電場建設工期短，單臺機組安裝方便。投資規(guī)模靈活，易操作。弊端：間歇性風有瞬時脈動的特性，風力的大小隨季節(jié)的變化而變化，即使在同一地區(qū)，有利地形下的風力往往優(yōu)于不利地形下的風力。由于風能固有的不可預測性和不穩(wěn)定性，使風電具有間歇性的運行特征，無法保證穩(wěn)定、持續(xù)不問斷地發(fā)電，往往電網(wǎng)處于用電高峰時風電發(fā)不出電來，而當電網(wǎng)處于用電低谷時風電卻可能滿負荷發(fā)電，這就增加了電網(wǎng)調(diào)度難度，使風力發(fā)電的供給與需求很難協(xié)調(diào)起來，增加了維持電網(wǎng)的穩(wěn)定的難度。噪聲污染風力發(fā)電機組中的大功率電力電子器件的應用，風力發(fā)電機組頻繁的并網(wǎng)投切，也造成了電網(wǎng)的諧波污染、電壓波動和電壓閃變。發(fā)電成本高風能在生產(chǎn)電力以前，需要大量的固定資產(chǎn)投資，由于近兩年國內(nèi)風電一哄而上，約75％的風電場選用的是國外的風電機組，導致國內(nèi)風力發(fā)電設備的供不應求，國外各大風機生產(chǎn)廠家趁機提價，使風機購置成本居高不下，風電的成本至少有70％以上為風機設備成本，目前,中國風電成本約在0.5元以上。2.對于橋梁的充分利用：橋梁一般地處偏遠的山區(qū)及河道，利用橋梁作為載體，安裝風力機。由于所處地域有著很大優(yōu)越性，風能比較充足，而且相對比較穩(wěn)定，風力機所產(chǎn)生的噪音遠離居民區(qū)，風能發(fā)電的弊端能夠得到很好的解決。3.對環(huán)境、能源的幫助火力發(fā)電要產(chǎn)生大量的溫室氣體和粉塵，會嚴重污染環(huán)境;以裝機容量四十萬千瓦的火電廠為例，每小時耗煤280噸，年產(chǎn)生二氧化硫6萬噸，并產(chǎn)生煙塵28.5萬噸，所帶來的環(huán)境污染，可想而知。風力發(fā)電就是用風來發(fā)電。風力發(fā)電不像火力發(fā)電那樣需要煤或油氣，它只有有風就能發(fā)電，不消耗像煤、石油或天然氣之類的資源。不會產(chǎn)生任何的廢氣或廢物，對人類以及環(huán)境都不致造成任何的損害。據(jù)統(tǒng)計,風力發(fā)電每生產(chǎn)100萬千瓦時的電量,便能減少排放600噸的二氧化碳,大力發(fā)展風能可以大幅度削減造成溫室效應的二氧化碳,緩解氣候變暖的狀況,能夠有效地遏制沙塵暴災害,抑制荒漠化的發(fā)展?？偨Y(jié)當今世界正掀起風電的高潮，而且風電的潛力也十分巨大，世界各地的科技工作者也正在努力當中。大型橋梁風能利用只是風能利用當中的一個小分支，雖然還沒有很大的研究成果出現(xiàn)，但是隨著科技的發(fā)展，我們相信大型橋梁風能利用時可以實現(xiàn)的，因為已經(jīng)有了實例表明其可能性。從現(xiàn)在的條件看來，大型橋梁風能利用有以下幾個有利條件：一：世界正掀起風電高潮，橋梁所處位置一般都在風能豐富的地區(qū)，沒有處在人口集中區(qū)。二：風能發(fā)電機有關(guān)技術(shù)在快速進步，造價在快速降低，為大型橋梁風能利用提供了技術(shù)技術(shù)支持。三：橋梁架高，有很多空間閑置。不利條件：一：風電不穩(wěn)定