风能情况介绍

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图解图标为风能的事实说明

风能资源和潜力

撞击地球表面的太阳能大约有2%转化为风能中的动能。风力涡轮机将风的动能转化为电能而不排放废气。1风能的分布是不均匀的,无论是在地球表面还是在大气中垂直分布。一般认为,在80米高空的年平均风速为6.5米/秒或更大,在商业上是可行的。然而,新技术正在扩大用于商业项目的风能资源。3.2021年,美国9.2%的电力来自风能,但风力发电能力正在迅速增长。4

  • 高风速产生更多的功率,因为风力功率与风速的立方成正比。5
  • 在接近地球表面的地方风速较慢,而在海拔较高的地方风速较快。现代风力涡轮机轮毂的平均高度为90米。6
  • 全球陆上和海上风力发电潜力在商业涡轮机枢纽高度每年可提供84万太瓦时的电力。72019年全球所有能源的总用电量约为23788太瓦时。8
  • 同样,美国大陆每年68,000太瓦时的风能潜力大大超过了2021年美国3930太瓦时的用电量。4、7
  • 美国能源部2015年的一项研究发现,到2030年风能将提供美国20%的电力,到2050年将提供35%的电力。9

美国风能资源,陆上和海上2(80米高)
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美国风能资源,陆上和海上8000万美元

风能技术和影响

水平轴风力涡轮机

  • 水平轴风力涡轮机(HAWT)是目前使用的主要涡轮机设计。
  • HAWT转子包括对称安装在轮毂上的叶片(通常是三个)。转子通过轴连接到齿轮箱和发电机。吊舱将这些部件安置在混凝土地基上的塔顶。10
  • HAWT有多种尺寸,从2.5米直径和1千瓦用于住宅,到100米直径和10兆瓦用于海上应用。
  • 理论上涡轮的最大效率是~59%,也称为贝茨极限。大多数涡轮机从通过转子区域的风中提取约50%的能量。9
  • 风力涡轮机的容量因子是其平均功率输出除以其最大功率能力。9美国陆上风力发电的容量因子为24% ~ 56%,平均为36%。6
  • 海上风力通常比陆地风力强,平均容量系数也更高(预计到2022年新项目的容量系数将达到51%),但海上风电场的建设和维护成本更高。11、12、13所示海上涡轮机目前被放置在深度达40-50米(约131-164英尺)的地方,但浮动海上风能技术可以极大地扩大发电潜力,因为美国58%的技术风力资源位于深度大于60米的地方。12日,14日

水平轴风力涡轮机图10、15
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水平轴风力涡轮机图

安装、制造和成本

  • 美国安装了6万多台公用事业规模的风力涡轮机,累计容量为134.2吉瓦。美国风电装机容量从2010年的40吉瓦增长到2021年的134吉瓦,平均每年增长12%。16从2011年到2021年,全球风电装机容量平均每年增长13%,2021年达到837吉瓦。17
  • 2020年美国平均涡轮机规模为2.8兆瓦,比2019年的2.55兆瓦增长了10%。6
  • 1998年至2001年新建项目的平均产能系数为25%,2014年至2019年新建项目的平均产能系数为41%。6
  • 在容量加权平均基础上,从20世纪80年代初到2020年,风能项目成本下降了大约3147美元/千瓦。到2020年,成本为1462美元/千瓦。6
  • 2020年,小型(<100千瓦)涡轮机的平均安装成本约为9,500美元/千瓦。18
  • 2019- 2020年,新的风能购买合同平均为2.5美分/千瓦时,而2021年的平均住宅电价为13.7美分/千瓦时。4、6
  • 德克萨斯州(35,049兆瓦)、爱荷华州(12,006兆瓦)和俄克拉荷马州(10,716兆瓦)是风电总装机容量的领先州。16爱荷华州67%的电力来自风能,2021年风力发电量在美国各州中排名第二。19
  • 2020年,美国风能行业有近11.7万名全职工人,500多家工厂生产涡轮机和部件。20.
  • 大型(>20兆瓦)风力项目每兆瓦装机容量需要约85英亩的土地面积,但这一总面积的1%或更少被道路、涡轮机基础或其他设备占用;其余部分可用于其他用途。9
  • 对于农民来说,每年的租赁费为每兆瓦涡轮机容量提供了大约3000美元的稳定收入,这取决于土地上涡轮机的数量、产生的能量的价值和租赁条款。9

美国风能容量16
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美国风能容量

全球风电容量,2021年17
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全球风电容量,2021年

能源表现与环境影响

  • 风力涡轮机可以减少与传统发电相关的影响。2020年美国风力发电能力减少了约3.19亿吨二氧化碳的排放2排放。20.
  • 根据2015年的一项研究,如果到2050年美国35%的电力是风力发电,电力行业的温室气体排放将减少23%,减少5100亿公斤CO2从2013年开始,每年累计排放12.3万亿公斤,并减少15%的用水量。9
  • 2013年的一项研究发现,风能的能源投资回报率(EROI)(能源交付/能源投资)在18-20:1之间。21
  • 每年因涡轮机碰撞而死亡的鸟类为20万只,相比之下,因电线碰撞而死亡的鸟类为1.3亿只,因建筑物碰撞而死亡的鸟类为3 - 10亿只。将死亡率降到最低的最好方法是仔细选址。9蝙蝠因风力涡轮机而死亡的研究较少。beplayer官网入口研究表明,大部分蝙蝠碰撞发生在迁徙物种最活跃的夏秋两季。9日,22日风能行业一直在测试可能将蝙蝠死亡率降低50%以上的方法。9
  • 一个典型风电场350米的噪音为35-45分贝。相比之下,一间安静的卧室是35分贝,100米外一辆时速40英里的汽车是55分贝。23
  • 截至2013年,几项研究已经最终确定,风力涡轮机产生的声音对人类健康没有影响。9
  • 涡轮机地基和输电电缆改变了底栖生物的栖息地,但地基可以创造远洋生物的栖息地。海上风电场的合理选址是避免冲突的最有效途径。24

解决方案和可持续行动

推广可再生能源的政策(参见可再生能源概况介绍

支持风能和其他可再生能源的政策可以解决与传统电力相关的外部性问题,例如污染对健康的影响、资源开采对环境的破坏以及长期核废料储存。

  • 可再生能源组合标准(RPS)要求电力供应商从可再生资源中获得最低比例的能源。25
  • 上网电价规定了零售电力分销商向可再生能源发电机支付的每千瓦时最低价格。25
  • 美国39个州、华盛顿特区和4个领土提供的净计量允许客户将多余的电力卖回电网。26
  • 容量补贴是针对建设可再生能源项目的一次性预付款,根据装机容量(以瓦为单位)计算。
  • 联邦生产税收抵免(PTC)为2021年12月31日之前启动的风电设施运营的前十年提供1-2美分/千瓦时的优惠。27小型(<100千瓦)安装可以根据施工开始日期获得22-26%的资本和安装成本的税收抵免。28
  • 农业法案第9006条是美国农村能源计划(REAP),该计划为农业生产者和农村小企业购买和安装可再生能源系统提供赠款和贷款担保。29
  • 系统福利费用由所有公用事业客户支付,以创建一个基金,用于低收入支持、可再生能源、效率和不太可能由竞争市场提供的研发项目。30.
  • 美国第一个商业海上风电场于2016年开始发电。2020年,第二座海上风电场完成安装。截至2022年5月,有9个州的海上风电项目寻求租赁地位。31

你能做什么

  • 让你的生活方式更有效率,以减少你的能源使用量。
  • 通过从公用事业公司购买“绿色电力”来投资非化石能源发电基础设施。
  • 购买可再生能源证书。可再生能源生产商以每千瓦时几美分的价格出售RECs,客户可以购买RECs来“抵消”他们的用电量,并帮助可再生能源变得更具竞争力。25
  • 考虑安装自己的风力系统,特别是如果你生活在一个提供财政激励或有净计量的州。
引用作为

可持续系统中心,密歇根大学,2021。“风能概况介绍。”酒吧。不。CSS07-09。

  1. Gustavson, M.(1979),“风力发电利用的限制”。科学通报,32(4):344 - 344。
  2. 美国能源部(DOE),国家可再生能源实验室(NREL)(2017)美国风能资源图。
  3. 美国能源部,能源效率和可再生能源(EERE)(2020)“美国年平均风速80米。”
  4. 美国能源情报署(EIA)(2022年)《每月能源评论》,2022年4月。
  5. 麻省理工学院(2010)风力发电基础。
  6. 美国能源部,劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)(2021)陆基2021年风能技术市场报告。
  7. Lu, X., et al.(2009)“风力发电的全球潜力。”中国科学院学报,27(6)。
  8. 美国EIA(2022)国际能源统计:总电力净消费。
  9. 美国能源部(2015)风能展望报告。
  10. 美国能源部,EERE(2021)“风力涡轮机内部。”
  11. 美国能源部,NREL(2015)“透明成本数据库:容量因素”开放能源信息。
  12. 国际可再生能源机构(2018)海上创新拓宽可再生能源选择。
  13. NREL(2021) 2020年风能成本审查。
  14. 美国能源部,NREL(2016) 2016年美国海上风能资源评估。
  15. 加州能源委员会(2012)“能源探索:风能。”
  16. 美国EIA(2022)初步月度发电机库存2022年2月。
  17. 全球风能理事会(GWEC)(2022)《2022年全球风能报告》。
  18. 美国能源部,太平洋西北国家实验室(PNNL)(2021) 2021分布式风能数据摘要。
  19. 美国EIA(2022)电力月报2022年2月。
  20. ACP(2022)“风力发电事实。”
  21. 霍尔,C.等人(2013)不同燃料的EROI及其对社会的影响。能源政策(64),141-152。
  22. 美国地质调查局,柯林斯堡科学中心(2016)“风力涡轮机中的蝙蝠死亡:调查原因和后果。”
  23. 美国能源部,EERE(2008)到2030年实现20%的风能:增加风能对美国电力供应的贡献。
  24. 欧盟委员会(2020年)关于风能发展和欧盟自然立法的指导文件。
  25. 美国环保署(2021)“国家可再生能源资源。”
  26. DSIRE(2021)净计量政策。
  27. 美国能源部,EERE(2021)风电生产税收抵免和投资税收抵免。
  28. 美国能源部,EERE(2021)促进美国风能行业的增长:联邦激励、资金和合作机会。
  29. DSIRE(2018)“美国农业部-美国农村能源计划(REAP)赠款。”
  30. DSIRE(2016)“术语表。”
  31. 美国海洋能源管理局(2021年)国家活动。

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