1.1風力發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展方向

1.2我國風力發(fā)電研發(fā)及開發(fā)應用

1.3前景展望1.1風力發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展方向人類對風能利用已有數(shù)千年的歷史。在蒸汽機發(fā)明之前,風能一直被用來作為碾磨谷物、抽水、船舶航行等機械設備的動力。如今,風能可以在大范圍內(nèi)無污染地發(fā)電,提供給獨立用戶或輸送到中央電網(wǎng)。由于風能資源豐富,風電技術(shù)相當成熟,風電價格越來越具有市場競爭力,因此風電成為世界上增長最快的能源。近幾年來,風電裝機容量年均增長超過30%,而每年新增風電裝機容量的增長率則達到35.7%。同時,風電裝備制造業(yè)發(fā)展迅猛,恒速、變速等各類風力發(fā)電機組逐步實現(xiàn)了商品化和產(chǎn)業(yè)化,大型風力發(fā)電在世界各地進入產(chǎn)業(yè)化。1.1.1風力發(fā)電風力發(fā)電機組由風機和發(fā)電機組組成,一般由葉片(集風裝置)、發(fā)電機(包括傳動裝置)、調(diào)向器(尾翼)、塔架、限速安全機構(gòu)和儲能裝置等構(gòu)件組成。風力發(fā)電有三種運行方式:一是獨立運行方式,整套系統(tǒng)通常由風力發(fā)電機、逆變器和蓄電池三部分組成,風力發(fā)電機向一個或幾個用戶提供電力,蓄電池用于蓄能,以保證無風時的用電;二是混合型風力發(fā)電運行方式,整套系統(tǒng)除了風力發(fā)電機外,還帶有一套備用的發(fā)電系統(tǒng),通常采用柴油機,在風力發(fā)電機不能提供足夠的電力時,讓柴油機投入運行;三是風力發(fā)電并入常規(guī)電網(wǎng)運行,向大電網(wǎng)提供電力,通常是一處風電場安裝幾十臺甚至幾百臺風力發(fā)電機,這是風力發(fā)電的主要方式。1.1.2風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向隨著科技的不斷進步和世界各國能源政策的傾斜,風力發(fā)電發(fā)展迅速,展現(xiàn)出廣闊的前景,未來數(shù)年世界風電技術(shù)發(fā)展的趨勢主要表現(xiàn)在如下幾個方面。1.風力發(fā)電機組向大型化發(fā)展21世紀以前,國際風力發(fā)電市場上主流機型容量從50kW增加到1500kW。進入21世紀后,隨著技術(shù)的日趨成熟,風力發(fā)電機組不斷向大型化發(fā)展。目前風力發(fā)電機組的規(guī)模一直在不斷增大,國際上單機容量1~3MW的風力發(fā)電機組已成為國際主流風電機組,5MW風電機組已投入試運行。2004年以來,1MW以上的兆瓦級風力發(fā)電機占到新增裝機容量的74.90%。大型風力發(fā)電機組有陸地和海上兩種發(fā)展模式。陸地風力發(fā)電,其方向是低風速發(fā)電技術(shù),主要機型是1~3MW的大型風力發(fā)電機組,這種模式的關鍵是向電網(wǎng)輸電。近海風力發(fā)電,主要用于比較淺的近海海域,一般安裝3MW以上的大型風力發(fā)電機,布置大規(guī)模的風力發(fā)電場。隨著陸地風電場利用空間越來越小,海上風電場在未來風能開發(fā)中將占據(jù)越來越重要的份額。風力發(fā)電系統(tǒng)中,發(fā)電機是能量轉(zhuǎn)換的核心部分。在風力發(fā)電中,當發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)運行時,要求風電頻率和電網(wǎng)頻率保持一致,即風電頻率保持恒定。因此風力發(fā)電系統(tǒng)按發(fā)電機的運行方式分為恒速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)(CSCF系統(tǒng))和變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)(VSCF系統(tǒng))。恒速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)是指在風力發(fā)電過程中保持發(fā)電機的轉(zhuǎn)速不變從而得到和電網(wǎng)頻率一致的恒頻電能。恒速恒頻系統(tǒng)一般來說比較簡單,所采用的發(fā)電機主要是同步發(fā)電機和鼠籠式感應發(fā)電機,前者以由電機極數(shù)和頻率所決定的同步轉(zhuǎn)速運行,后者則以稍高于同步轉(zhuǎn)速的速度運行。變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)是指在風力發(fā)電過程中發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可以隨風速變化,并且通過其他的控制方式來得到和電網(wǎng)頻率一致的恒頻電能。2.風力機葉片長度可變隨著風輪直徑的增加,風力機可以捕捉更多的風能。直徑為40m的風輪適用于500kW的風力機,而直徑為80m的風輪則可用于2.5MW的風力機。長度超過80m的葉片已經(jīng)成功運行。每一米葉片長度的增加,都會使風力機可捕捉的風能顯著增加。和葉片長度一樣,葉片設計對提高風能利用也有著重要的作用。目前丹麥、美國、德國等風電技術(shù)發(fā)達的國家和一些知名風電制造企業(yè)正在利用先進的設備和技術(shù)條件致力于研究長度可變的葉片技術(shù)。這項技術(shù)可以根據(jù)風況,調(diào)整葉片的長度。當風速較低時,葉片會完全伸展,以最大限度地產(chǎn)生電力;隨著風速增大,輸出電力會逐步增至風力機的額定功率,一旦風速超過這一峰點,葉片就會回縮以限制輸電量;如果風速繼續(xù)增大,葉片長度會繼續(xù)縮小直至最短。風速自高向低變化時,葉片長度也會作相應調(diào)整。3.風機控制技術(shù)不斷提高隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,變速風電機去掉了沉重的增速齒輪箱,發(fā)電機軸直接連接到風力機軸上,轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨風速而改變,其交流電的頻率也隨之變化,經(jīng)過置于地面的大功率電力電子變換器,將頻率不定的交流電整流成直流電,再逆變成與電網(wǎng)同頻率的交流電輸出。由于它被設計成在幾乎所有的風況下都能獲得較大的空氣動力效率,從而大大地提高了風力機捕捉風能的效率。試驗表明,在平均風速為每秒6、7m時,變速風電機要比恒速風電機多捕獲15%的風能。同時由于機艙質(zhì)量的減輕,改善了傳動系統(tǒng)各部件的受力狀況,使風電機的支撐結(jié)構(gòu)減輕,從而使設施費用降低,運行維護費用也降低。這種技術(shù)在經(jīng)濟上可行,具有較廣泛的應用前景。4.風力發(fā)電從陸地向海面拓展海上有豐富的風能資源和廣闊平坦的區(qū)域,風速大且穩(wěn)定,日平均利用小時數(shù)可達到20個小時以上。同容量裝機,海上比陸上成本增加60%,電量增加50%以上。隨著風力發(fā)電的發(fā)展,陸地上的風機總數(shù)已經(jīng)趨于飽和,海上風力發(fā)電場將成為未來發(fā)展的重點。雖然近海風電場的前期資金投入和運行維護費用都比陸上風電場高得多,但大型風電場的規(guī)模經(jīng)濟使大型風力機變得切實可行。為了在海上風場安裝更大機組,許多大型風力機制造商正在開發(fā)3~5MW的機組,多兆瓦級風力發(fā)電機組在近海風力發(fā)電場的商業(yè)化運行是國內(nèi)外風能利用的新趨勢。從2006年開始,歐洲的海上風力發(fā)電開始大規(guī)模起飛。到2010年,歐洲海上風力發(fā)電的裝機容量達到10000MW。目前德國正在建設的北海近海風電場,總功率為100萬千瓦,單機功率為5MW,是目前世界上最大的風力發(fā)電場,該風電場生產(chǎn)出來的電量之大,可與常規(guī)電廠相媲美。5.采用新型塔架結(jié)構(gòu)目前,美國的幾家公司正在以不同方法設計新型塔架。采用新型塔架結(jié)構(gòu)有助于提高風力機的經(jīng)濟可行性。Valmount工業(yè)公司提出了一個完全不同的塔架概念,發(fā)明了由兩條斜支架支撐的非錐形主軸。這種設計比鋼制結(jié)構(gòu)堅固12倍,能夠從整體上降低結(jié)構(gòu)中無支撐部分的成本,使之只有傳統(tǒng)簡式風力機結(jié)構(gòu)成本的一半。用一個活動提升平臺,可以將葉輪等部件提升到塔架頂部。這種塔架具有占地面積小和容易安裝的特點。由于其成本低且無需大型起重機,這種新型塔架拓寬了風能利用的可用場址范圍。1.2我國風力發(fā)電研發(fā)及開發(fā)應用1.2.1我國風電技術(shù)研發(fā)與進展我國風電技術(shù)的發(fā)展從20世紀80年代由小型風力發(fā)電機組開始,并由小及大,其間以100W~10kW的產(chǎn)品為主?！熬盼濉逼陂g,我國重點對600kW三葉片、失速型、雙速型發(fā)電機的風電機組進行了研制,掌握了整體總裝技術(shù)和關鍵部件葉片、電控、發(fā)電機、齒輪輻等的設計制造技術(shù),初步掌握了總體設計技術(shù),對變槳距600kW風電機組也研制出了樣機?！笆濉逼陂g,科技部對750kW的失速型風電機組的技術(shù)和產(chǎn)品進行攻關,并取得了成功。目前,600kW和750kW定槳距失速型機組已經(jīng)成為經(jīng)市場驗證的、批量生產(chǎn)的主要國產(chǎn)機組。在此基礎上,“十五”期間國家863計劃支持了國內(nèi)數(shù)家企業(yè)研制兆瓦級風力發(fā)電機組,以追趕世界主流機型先進技術(shù)。另外,還采取和國外公司合作設計,以在國內(nèi)采購生產(chǎn)主要部件組裝風電機組的方式,進行1.2MW直驅(qū)式變速恒頻風電機組研制項目。第一臺樣機已經(jīng)于2005年5月投入試運行,國產(chǎn)化率達到25%。第二臺樣機于2006年2月投入試運行,國產(chǎn)化率達到90%。該項目完成后,將形成具有國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)的1.2MW直接驅(qū)動永磁風力發(fā)電機組機型,同時初步形成大型風電機組的自主設計能力以及葉片、電控系統(tǒng)、發(fā)電機等關鍵部件的設計和批量生產(chǎn)能力。我國對兆瓦級變速恒頻風電機組項目的研制,完全立足于自主設計。技術(shù)方案采取雙饋發(fā)電機、變槳距、變速技術(shù),完成了總體和主要部件設計、縮比模型加工制造及模擬試驗研究、風電機組總裝方案的制訂,其中兆瓦級變速恒頻風電機組多功能縮比模型填補了我國大型風電機組實驗室地面試驗和仿真測試設備的空白。首臺樣機已經(jīng)于2005年9月投入試運行。該項目完成后,我國將形成1MW雙饋變速恒頻風電機組機型和一套風電機組的設計開發(fā)方法,從而為全面掌握風電機組的設計技術(shù)提供基礎。在市場的激勵下,2004年以來進入風電制造業(yè)的眾多企業(yè)還通過引進技術(shù)或自主研發(fā)迅速啟動了兆瓦級風電機組的制造。其中一些企業(yè)與國外知名風電制造企業(yè)成立合資企業(yè)或向其購買生產(chǎn)許可證,直接引進國際風電市場主流成熟機型的總裝技術(shù),在早期直接進口主要部件,然后努力消化吸收,逐步實現(xiàn)部件國產(chǎn)化?？傮w上看,當前國內(nèi)眾多整機制造企業(yè)引進和研制的各種型號兆瓦級機組(容量為1~2MW,技術(shù)形式包括失速型、直驅(qū)永磁式和雙饋式),已經(jīng)于2007年投入批量生產(chǎn)。但是,兆瓦級機組控制系統(tǒng)仍依賴進口。國內(nèi)大型風電用發(fā)電機的研制生產(chǎn)始于20世紀90年代初。在國內(nèi)堅實的電機工業(yè)基礎上以及國內(nèi)風電市場的拉動下,目前數(shù)家企業(yè)已具備750kW級發(fā)電機的批量生產(chǎn)供應能力,并在近兩年內(nèi)研制出了兆瓦級雙饋型發(fā)電機并投入試運行。大型風電機組葉片一度是我國風電國產(chǎn)化的主要瓶頸。目前已經(jīng)實現(xiàn)了600kW和750kW葉片的設計制造技術(shù)并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,形成了研制兆瓦級容量葉片的創(chuàng)新能力,2005年研制出了1.3MW葉片。國內(nèi)主要的葉片生產(chǎn)企業(yè),其產(chǎn)能已達到1000MW/年。風電機組電控系統(tǒng)是國內(nèi)風電機組制造業(yè)中最薄弱的環(huán)節(jié),過去數(shù)年中我國研發(fā)生產(chǎn)電控設備的單位經(jīng)刻苦攻關,已掌握600kW、750kW風電機組的電控系統(tǒng)技術(shù),可批量生產(chǎn)。地球上的風能資源非常豐富,開發(fā)潛力巨大,全球已有不少于70個國家在利用風能。風力發(fā)電是風能的主要利用形式。近年來,全球范圍內(nèi)風電裝機容量持續(xù)較快增長。到2009年年底,全球風電累計裝機總量已超過15000萬千瓦,中國風電累計裝機總量突破2500萬千瓦,約占全球風電的1/6。中國風電裝機容量增長迅猛,年度新增裝機容量增長率連續(xù)6年超過100%,成為風電產(chǎn)業(yè)增長速度最快的國家。近年來,風電大開發(fā)有力帶動了相關設備市場的蓬勃發(fā)展。在國家政策支持和能源供應緊張的背景下,中國風電設備制造業(yè)迅速崛起,已經(jīng)成為全球風電投資最為活躍的場所。國際風電設備巨頭競相進軍中國市場,Gamesa、Vestas等國外風電設備企業(yè)紛紛在中國設廠或與我國本土企業(yè)合作。經(jīng)過多年的技術(shù)積累,中國風電設備制造業(yè)逐步發(fā)展壯大,產(chǎn)業(yè)鏈日趨完善,風電機組自主化研發(fā)取得豐碩成果,關鍵零部件市場迅速擴張。內(nèi)資和合資企業(yè)在2004年前后還只占據(jù)不到三分之一的中國風機市場,到2009年,這一市場份額已超過了6成。中國對風電的政策支持由來已久。政策支持的對象由過去的注重發(fā)電轉(zhuǎn)向了注重扶持國內(nèi)風電設備制造。隨著國產(chǎn)風電設備自主制造能力不斷加強,2010年國家取消了國產(chǎn)化率政策,提升了準入門檻,加快了風電設備制造業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和產(chǎn)業(yè)升級,進一步規(guī)范了風電設備產(chǎn)業(yè)的有序發(fā)展。中國正逢風電發(fā)展的大好時機,遍地開花的風電場建設意味著龐大的設備需求。除了風電整機需求不斷增長之外,葉片、齒輪箱、大型軸承、電控等風電設備零部件的供給能力仍不能完全滿足需求,市場增長潛力巨大。因此,中國風電設備制造業(yè)發(fā)展前景樂觀。1.2.2江蘇省2010-2015年風力發(fā)電技術(shù)研發(fā)與進展江蘇省是我國較早利用風能的地區(qū)之一,風能資源較豐富。江蘇的風能資源蘊藏量約有238萬千瓦。江蘇沿海灘涂狹長,風能資源優(yōu)良,是建設大型海上風電場的理想場區(qū),近海風力發(fā)電潛力巨大。進入21世紀以來,江蘇省逐步加大了對風能資源的開發(fā)力度,對全省風能資源的儲量、分布、開發(fā)前景進行了深入調(diào)研,科學規(guī)劃了一批風力發(fā)電項目。2006年,江蘇如東15萬千瓦風電場首批風電機組正式并網(wǎng)發(fā)電,這是江蘇省內(nèi)風電機組首次并網(wǎng)發(fā)電。此后,江蘇省如東、響水、濱海、射陽等地陸續(xù)啟動或獲準建設風電項目。海風電場走廊成為江蘇沿海近千公里海岸線上的一個新興產(chǎn)業(yè)。積極開發(fā)節(jié)能環(huán)保的新能源已成為大勢所趨。2010年,中國啟動海上風電的首輪特許招標,初步選定在江蘇的沿海地區(qū)建設兩個近海風電和兩個灘涂風電項目。其中,近海風電規(guī)模定為30萬千瓦,灘涂風電規(guī)模定為20萬千瓦。江蘇風電產(chǎn)業(yè)迎來了歷史性發(fā)展機遇。1.3前

景

展

望江蘇省內(nèi)主要電廠均為燃煤電廠,電源結(jié)構(gòu)形式單一,發(fā)電用煤需求量大。但江蘇省產(chǎn)煤能力有限,電廠燃煤80%需要從外省購進,成本高,電煤供給緊缺,污染嚴重;水力發(fā)電資源極少,核電成本高(由于本省沒有多少可供建設核電的地形地貌)。因此,加快開發(fā)風力資源,對江蘇能源結(jié)構(gòu)調(diào)整有一定促進作用。江蘇省有效利用風能資源,大規(guī)模發(fā)展風電產(chǎn)業(yè),有利于和礦產(chǎn)資源、港口運輸、制造業(yè)發(fā)展相結(jié)合,構(gòu)建包括風機制造、風力發(fā)電、與風電有關的鹽化工產(chǎn)業(yè)與冶金工業(yè)、金屬和非金屬原料的精深加工產(chǎn)業(yè)在內(nèi)的大規(guī)模風電產(chǎn)業(yè)體系,在長三角地區(qū)形成獨特的綠色能源利用高地。2.1風能

2.2風能分布與計算方法

2.3中國風電的必要性和發(fā)展政策2.1風能1.大氣環(huán)流(1)溫差形成的空氣流動。風的形成是空氣流動的結(jié)果?？諝饬鲃拥脑蚴嵌喾矫娴?由于地球繞太陽運轉(zhuǎn),日地距離和方位不同,地球上各緯度所接受的太陽輻射強度也就不同。赤道和低緯度地區(qū)比極地和高緯度地區(qū)太陽輻射強度強,地面和大氣接受的熱量多,因而溫度高,這種溫差形成了南北間的氣壓梯度,使得空氣在等壓面向北流動。(2)地球自轉(zhuǎn)形成的空氣流動。由于地球自轉(zhuǎn)形成了科里奧利力,簡稱偏向力或科氏力。在此力作用下,在北半球,氣流向右偏轉(zhuǎn);在南半球,氣流向左偏轉(zhuǎn)。所以,地球大氣的運動,除受到氣壓梯度力的作用外,還受到地轉(zhuǎn)偏向力的影響。地轉(zhuǎn)偏向力在赤道為零,隨著緯度的增高而增大,在極地達到最大。(3)由于地球表面受熱不均,引起大氣層中空氣壓力不均衡,因此,形成地面與高空的大氣環(huán)流。各環(huán)流圈伸屈的高度,以赤道最高,中緯度次之,極地最低,這主要是由于地球表面增熱程度隨緯度增高而降低的緣故。這種環(huán)流在地球自轉(zhuǎn)偏向力的作用下,形成了赤道到緯度30°N環(huán)流圈(哈德來環(huán)流)、緯度30°~60°N環(huán)流圈和緯度60°~90°N環(huán)流圈,這便是著名的三圈環(huán)流,如圖2-1所示。當然,所謂三圈環(huán)流只是一種理論的環(huán)流模型。由于地球上海陸的分布不均勻,因此,實際的環(huán)流比上述情況要復雜得多。2.季風環(huán)流在一個大范圍地區(qū)內(nèi),它的盛行風向或氣壓系統(tǒng)有明顯的季節(jié)變化,這種在一年內(nèi)隨著季節(jié)不同有規(guī)律轉(zhuǎn)變風向的風,稱為季風。季風盛行地區(qū)的氣候又稱季風氣候。亞洲東部的季風主要包括中國的東部、朝鮮、日本等地區(qū)。亞洲南部的季風,以印度半島最為顯著,這就是世界聞名的印度季風。中國位于亞洲的東南部,所以東亞季風和南亞季風對中國天氣氣候變化都有很大影響。圖2-2是季風的地理分布。形成中國季風環(huán)流的因素很多,主要是由海陸差異、行星風帶的季風轉(zhuǎn)換以及地形特征等綜合形成的。1)海陸分布對中國季風的作用海洋的熱容量比陸地大得多。冬季,陸地比海洋冷,大陸氣壓高于海洋氣壓,氣壓梯度力由大陸指向海洋,風從大陸吹向海洋;夏季則相反,陸地很快變暖,海洋相對比較冷,陸地氣壓低于海洋氣壓,氣壓梯度力由海洋指向大陸,風從海洋吹向大陸,如圖2-3所示。中國東臨太平洋,南臨印度洋,冬夏的海陸溫差大,所以季風明顯。2)行星風帶位置季節(jié)轉(zhuǎn)換對中國季風的作用地球上存在著5個風帶。東北信風帶、盛行西風帶、極地東風帶在南半球和北半球是對稱分布的。這5個風帶,在北半球的夏季都向北移動,而冬季則向南移動。這樣,冬季西風帶的南緣地帶在夏季可以變成東風帶。因此,冬夏盛行風就會發(fā)生180°的變化。冬季,中國主要在西風帶的影響下,強大的西伯利亞高壓籠罩著全國,盛行偏北氣流。夏季,西風帶北移,中國在大陸熱低壓控制之下,副熱帶高壓也北移,盛行偏南風。3)青藏高原對中國季風的作用青藏高原占中國陸地面積的1/4,平均海拔在4000m以上,對周圍地區(qū)具有熱力作用。在冬季,高原上溫度較低,周圍大氣溫度較高,這就形成下沉氣流,從而加強了地面高壓系統(tǒng),使冬季風增強;在夏季,高原相對于周圍自由大氣是一個熱源,加強了高原周圍地區(qū)的低壓系統(tǒng),使夏季季風得到加強。另外,在夏季,西南季風由孟加拉灣向北推行,沿著青藏高原東部的南北走向的橫斷山脈流向中國的西南地區(qū)。3.局地環(huán)流1)海陸風海陸風的形成與季風相同,也是由大陸和海洋之間的溫度差異的轉(zhuǎn)變引起的。不過海陸風的范圍小,以天為周期,勢力也相對薄弱。由于海陸物理屬性的差異,造成海陸受熱不均。白天,陸上增溫比海洋快,空氣上升,而海洋上空氣溫相對較低,使地面有風自海洋吹向大陸,補充大陸地區(qū)的上升氣流,而陸上的上升氣流流向海洋上空而下沉,補充海上吹向大陸的氣流,形成一個完整的熱力環(huán)流;夜間環(huán)流的方向正好相反,所以風從陸地吹向海洋。將這種白天從海洋吹向大陸的風稱為海風,夜間從陸地吹向海洋的風稱為陸風,將一天中海陸之間的周期循性環(huán)流總稱為海陸風(如圖2-4所示)。海陸風的強度在海岸最大,隨著離岸距離的增加而減弱,一般影響距離約為20~50km。海風的風速比陸風大,在典型的情況下,風速可達4~7m/s;而陸風一般僅為2m/s左右。海陸風最強烈的地區(qū),發(fā)生在溫度日變化最大及晝夜海陸溫差最大的地區(qū)。低緯度日照強,所以海陸風較為明顯,尤以夏季為甚。此外,在大湖附近同樣日間有風自湖面吹向陸地,稱為湖風,夜間有風自陸地吹向湖面,稱為陸風,合稱湖陸風。2)山谷風山谷風的形成原理跟海陸風是類似的。白天,山坡接受太陽光熱較多,空氣增溫較多,而山谷上空同高度上的空氣因離地較遠,增溫較少,于是山坡上的暖空氣不斷上升,并從山坡上空流向谷底上空,谷底的空氣則沿山坡向山頂補充,這樣便在山坡與山谷之間形成一個熱力環(huán)流。下層風由谷底吹向山坡,稱為谷風。到了夜間,山坡上的空氣受山坡輻射冷卻影響,空氣降溫較多,而谷底上空同高度的空氣因離地面較遠,降溫較少,于是山坡上的冷空氣因密度大,順山坡流入谷底,谷底的空氣因匯合而上升,向山頂上空流去,形成與白天相反的熱力環(huán)流。下層風由山坡吹向谷底,稱為山風。山風和谷風又總稱為山谷風(如圖2-5所示)。山谷風風速一般較弱,谷風比山風大一些,谷風速度一般為2~4m/s,有時可達6~7m/s。谷風通過山隘時,風速加大。山風速度一般僅為1~2m/s。但在峽谷中,風速還能增大一些。4.中國風能資源的形成風資源的形成受多種自然因素的影響,特別是天氣氣候背景、地形和海陸的影響至關重要。風能在空間分布上是分散的,在時間分布上也是不穩(wěn)定和不連續(xù)的,也就是說風速對天氣氣候非常敏感,時有時無,時大時小,盡管如此風能資源在時間和空間分布上仍存在著很強的地域性和時間性。對中國來說,風能資源豐富及較豐富的地區(qū),主要分布在北部和沿海及其島嶼兩個大帶里,其他只是在一些特殊地形或湖岸地區(qū)成孤島式分布。1)三北(西北、華北、東北)風能資源豐富的地區(qū)冬季(12~2月份),整個亞洲大陸完全受蒙古高壓控制,其中心位置在蒙古人民共和國的西北部,在高壓中不斷有小股冷空氣南下,進入中國。同時還有移動性的高壓(反氣旋)不時地南下,南下時氣溫較低。若一次冷空氣南下過程中最低氣溫在5℃以下,且這次過程中日平均氣溫48h內(nèi)最大降溫達10℃以上,則稱為一次寒潮,不符合這一標準的稱為一次冷空氣。影響中國的冷空氣有5個源地,這5個源地侵入的路線稱為路徑。第一條路徑來自新地島以東附近的北冰洋面,從NW方向進入蒙古人民共和國西部,再東移南下影響中國,稱為西北1路徑,如圖2-6中的NW1;第二條源于新地島以西北冰洋面,經(jīng)俄羅斯、蒙古國進入中國,稱西北2路徑,如圖2-6中的NW2;第三條源于地中海附近,稱西路徑,東移到蒙古國西部再影響中國,如圖2-6中的W;第四條源于太梅爾半島附近北冰洋洋面,向南移入蒙古國,然后再向東南影響中國,稱為北路徑,如圖2-6中的N;第五條源于貝加爾湖以東的東西伯利亞地區(qū),進入中國東北及華北地區(qū),稱為東北路徑,如圖2-6中的NE。

從圖2-6中還可以看到,冷空氣從這5條路徑進入中國后,分兩條不同的路徑南下,一條是經(jīng)河套、華北、華中,由長江中下游入海,有時可侵入華南地區(qū)。沿此路徑侵入的寒潮可以影響中國大部分地區(qū),出現(xiàn)次數(shù)占總次數(shù)的60%左右,冷空氣經(jīng)過之地有連續(xù)的大風、降溫并常伴有風沙。另一條經(jīng)過華北北部、東北平原,東移進入日本海,也有一部分經(jīng)華北、黃河下游,向西南移入西湖盆地。這一條出現(xiàn)次數(shù)約占總次數(shù)的40%。它常使渤海、黃海、東海出現(xiàn)東北大風,也給長江以北地區(qū)帶來大范圍的大風、降雪和低溫天氣。這五條路徑除東北路徑外,一般都要經(jīng)過蒙古人民共和國,當冷空氣經(jīng)過蒙古高壓時得到新的冷高壓的補充和加強,這種高壓往往可以迅速南下,進入中國。每當冷空氣侵入一次,大氣環(huán)流必定發(fā)生一次大的調(diào)整,天氣也將發(fā)生劇烈的變化。歐亞大陸面積廣大,北部氣溫低,是北半球冷高壓活動最頻繁的地區(qū),而中國地處亞歐大陸南岸,正是冷空氣南下必經(jīng)之路。三北地區(qū)是冷空氣侵入中國的前沿地區(qū),一般冷高壓前鋒稱為冷鋒,在冷鋒過境時,在冷鋒后面200km附近經(jīng)?？沙霈F(xiàn)大風,可造成一次6~10級(10.8~24.4m/s)大風。而對風能資源利用來說,就是一次可以有效利用的高質(zhì)量風速。強冷空氣除在冬季侵入外,在春秋季也常有侵入。從中國三北地區(qū)向南,由于冷空氣從源地長途跋涉,到達中國黃河中下游,再到長江中下游,地面氣溫有所升高,原來寒冷干燥的氣流性質(zhì)逐漸改變?yōu)檩^冷濕潤的氣流性質(zhì)(稱為變性),也就是冷空氣逐漸地變暖,這時氣壓差也變小,所以,風速由北向南逐漸減小。中國東部處于蒙古高壓的東側(cè)和東南側(cè),所以盛行風向都是偏北風,只因其相對蒙古高壓中心的位置不同而實際偏北的角度有所區(qū)別。三北地區(qū)多為西北風,秦嶺黃河下游以南的廣大地區(qū),盛行風向偏于北和東北之間。春季(3~5月份)是由冬季到夏季的過渡季節(jié)。由于地面溫度不斷升高,從4月份開始,中、高緯度地區(qū)的蒙古高壓強度已明顯地減弱,而這時印度低壓(大陸低壓)及其向東北伸展的低壓槽,已控制了中國的華南地區(qū),與此同時,太平洋副熱帶高壓也由菲律賓向北逐漸侵入中國華南沿海一帶,這幾個高、低氣壓系統(tǒng)的強弱、消長都對中國風能資源有著重要的作用。在春季,這幾種氣流在中國頻繁地交替。春季是中國氣旋活動最多的季節(jié),特別是中國東北及內(nèi)蒙古一帶氣旋活動頻繁,造成內(nèi)蒙古和東北的大風和沙暴天氣。同樣,江南氣旋活動也較多,但造成的卻是春雨和華南雨季。這也是三北地區(qū)風資源較南方豐富的一個主要原因。全國風向已不如冬季那樣穩(wěn)定少變,但仍以偏北風占優(yōu)勢,但風的偏南分量顯著地增加。夏季(6~8月份)東南地面氣壓分布形勢與冬季完全相反。這時中、高緯度的蒙古高壓向北退縮得已不明顯,相反地,印度低壓繼續(xù)發(fā)展控制了亞洲大陸,為全國最盛的季風。太平洋副熱帶高壓此時也向北擴展和單路西伸?？梢哉f,東亞大陸夏季的天氣氣候變化基本上受這兩個環(huán)流系統(tǒng)的強弱和相互作用所制約。隨著太平洋副熱帶高壓的西伸北擴,中國東部地區(qū)均可受到它的影響,此高壓的西部為東南氣流和西南氣流帶來了豐富的降水,但高、低壓間壓差小,風速不大,夏季是全國全年風速最小的季節(jié)。夏季,大陸為熱低壓,海上為高壓,高、低壓間的等壓線在中國東部幾乎呈南北向分布的形式,所以夏季風盛行偏南風。秋季(9~11月份)是由夏季到冬季的過渡季節(jié),這時印度低壓和太平洋高壓開始明顯衰退,而中高緯度的蒙古高壓又開始活躍起來。冬季風來得迅速,且維持穩(wěn)定。此時,中國東南沿海已逐漸受到蒙古高壓邊緣的影響,華南沿海由夏季的東南風轉(zhuǎn)為東北風。三北地區(qū)秋季已確立了冬季風的形勢。各地多為穩(wěn)定的偏北風,風速開始增大。2)東南沿海及其島嶼風能資源豐富的地區(qū)其形成的天氣氣候背景與三北地區(qū)基本相同,所不同的是海洋與大陸由兩種截然不同的物質(zhì)所組成,二者的輻射與熱力學過程都存在著明顯的差異。大陸與海洋間的能量交換不大相同,海洋溫度變化慢,具有明顯的熱惰性,大陸溫度變化快,具有明顯的熱敏感性。冬季海洋較大陸溫暖,夏季較大陸涼爽。在冬季,每當冷空氣到達海上時,風速增大,再加上海洋表面平滑,摩擦力小,一般風速比大陸快2~4m/s。東南沿海又受臺灣海峽的影響,每當冷空氣南下到達這里時,由于狹管效應的影響使風速增大,因此是風能資源最佳地區(qū)。在沿海,夏秋季節(jié)均受到熱帶氣旋的影響(中國現(xiàn)行的熱帶氣旋名稱和等級標準見表21)。當熱帶氣旋風速達到8級(17.2m/s)以上時,稱為臺風。臺風是一種直徑為1000km左右的圓形氣旋,中心氣壓極低。距臺風中心10~30km的范圍內(nèi)是臺風眼,臺風眼中天氣極好,風速很小。在臺風眼外壁,天氣最為惡劣,最大破壞風速就出現(xiàn)在這個范圍內(nèi),所以一般只要不是臺風正面直接登陸的地區(qū),風速一般小于10級(26m/s),它的影響平均有800~1000km的直徑范圍。每當臺風登陸后,沿海地區(qū)就產(chǎn)生一次大風過程,而風速基本上在風力機切出風速范圍之內(nèi),所以這是一次滿發(fā)電的好機會。登陸臺風在中國每年有11次,而廣東每年登陸臺風最多,為3.5次,海南次之,為2.1次,臺灣為1.9次,福建為1.6次,廣西、浙江、上海、江蘇、山東、天津、遼寧等合計僅為1.7次,由此可見,臺風影響的地區(qū)由南向北遞減。對從臺灣路徑通過的次數(shù),進行等頻率線圖的分析可看出(如圖2-7所示),南海和東海沿海頻率遠大于北部沿海,對風能資源來說也是南大北小。由于臺風登陸后中心氣壓升高極快,再加上東南沿海東北—西南走向的山脈重疊,所以形成的大風僅在距海岸幾十公里內(nèi),風能功率密度由300W/m2銳減到100W/m2以下。綜上所述,冬春季的冷空氣、夏秋的臺風,都能影響到沿海及其島嶼。相對內(nèi)陸來說,這里形成了風能豐富帶。由于臺灣海灣的狹管效應的影響,東南沿海及其島嶼是風能最佳豐富區(qū)。中國的海岸線有18000多公里,有6000多個島嶼和近海廣大的海域,這里是風能大有開發(fā)利用前景的地區(qū)。3)內(nèi)陸風能資源豐富地區(qū)在兩個風能豐富帶之外,風能功率密度一般較小,但是在一些地區(qū),由于湖泊和特殊地形的影響,風能比較豐富,如鄱陽湖附近較周圍地區(qū)風能就大,湖南衡山、湖北九宮山和利川、安徽的黃山、云南太華山等較平地風能大。但是這些只限于很小范圍之內(nèi),沒有兩大帶那樣大的面積。青藏高原海拔在4000m以上,這里的風速比較大,但空氣密度小,如海拔4000m以上的空氣密度大致為地面的0.67,也就是說,同樣是8m/s的風速,在平原上風能功率密度為313.6W/m2,而在海拔4000m處只為209.9W/m2,所以對風能利用來說仍屬一般地區(qū)。5.中國風速變化特性1)風速年變化各月平均風速的空間分布與造成風速的天氣氣候背景、地形以及海陸分布等有直接關系,就全國而論,各地年變化有差異,如三北地區(qū)和黃河中下游,全國風速最大的時期絕大部分出現(xiàn)在春季,風速最小出現(xiàn)在秋季。以內(nèi)蒙古多倫為代表,風速最大的時期在3~5月份,最小的時期在7~9月份。冬季冷空氣經(jīng)三北地區(qū)奔騰而下,風速也較大,但春季不但有冷空氣經(jīng)過,而且氣旋活動頻繁,故而春季比冬季風要大些。北京也是3月份和4月份風速最大,7~9月份風速最小。但在新疆北部,風速年變化情況和其他地區(qū)有所不同,春末夏初(4~7月份)風速最大,冬季風最小,這是由于冬季蒙古高壓盤踞在這里,冷空氣聚集在盆地之下,下層空氣極其穩(wěn)定,風速最小,而在4~7月份,特別是在5、6月份,冷鋒和高空低槽過境較多,地面溫度較高,冷暖平流很強,容易產(chǎn)生較大氣壓梯度,所以風速最大。東南沿海全年風速的變化以福建平潭為例,如圖28所示,夏季風較小,秋季風速最大。由于秋季北方冷高壓加強南下,海上臺風活躍北上,東南沿海氣壓梯度很大,再加上東南沿海全年風速的變化以福建平潭為例,如圖28所示,夏季風較小,秋季風速最大。由于秋季北方冷高壓加強南下,海上臺風活躍北上,東南沿海氣壓梯度很大,再加上臺灣海峽的狹管效應,因此風速最大;初夏因受到熱帶高壓脊的控制,風速最小。青藏高原以班戈為代表,風速年變化如圖2-8所示,它是春季風速最大,夏季最小。在春季,由于高空西風氣流穩(wěn)定維持在這一地區(qū),高空動量下傳,所以風速最大;在夏季,由于高空西風氣流北移,地面為熱低壓,因此風速較小。2)風速日變化風速日變化即風速在一日之內(nèi)的變化,一般有陸地上和海上日變化兩種類型。陸地上風速日變化是白天風速大,午后14時左右達到最大,晚上風速小,在清晨6時左右風速最小。這是由于白天地面受熱,特別是午后地面最熱,上下對流旺盛,高層風動量下傳,使下層空氣流動加速,且加速最多,因此風速最大;日落后地面迅速冷卻,氣層趨于穩(wěn)定,風速逐漸減小,到日出前地面氣溫最低,有時形成逆風,因此風速最小。如圖29所示是某城市某日濕度

風速變化曲線。海上風速日變化與陸地相反,白天風速小,午后14時左右最小,夜間風速大,清晨6時左右風速最大。地面風速日變化是因高空動量下傳引起的,而動量下傳又與海陸晝夜穩(wěn)定變化不同有關。由于海上夜間海溫高于氣溫,大氣層熱穩(wěn)定度比白天大,正好與陸地相反。另外海上風速日變化的幅度較陸面為小,這是因為海面上水溫和氣溫的日變化都比陸地小和陸地上白天對流強于海上夜間的緣故。但在近海地區(qū)或海島上,風速的變化既受海面的影響又受陸地的影響,所以風速日變化便不屬于任一類型。稍大的一些島嶼一般受陸地影響較大,白天風速較大,如成山頭、南澳、西沙等。但有些較大的島嶼,如平潭島,風速日變化幾乎已經(jīng)接近陸上風速日變化的類型。風速的日變化還隨著高度的增加而改變,如武漢陽邏鐵塔高146m,風的梯度觀測有9層,即5、10、15、20、30、62、87、119、146m。觀測5年,不同高度風速日變化特點很不相同,如圖210所示。由圖2-11可見,大致在15~30m處是分界線,在30m以下的日變化是白天風大,夜間風小,在30m以上隨高度的增加,風速日變化逐漸由白天風大向夜間風大轉(zhuǎn)變,到62m以上基本上是白天風小,夜間風大。這一結(jié)果與北方錫林浩特鐵塔4年的實測資料的結(jié)果有著明顯的差異,如圖2-12所示。由圖2-12可見,在10~118m,都是日出后風速單調(diào)上升,直到午后達到最大。但達到最大的時間,隨高度增加向后推移,低層10m為14時,118m為17時左右。此后,隨著午后太陽輻射強度的減弱,上下層交換又隨之減弱,相應風速又開始下降,在早7時左右風速最小。達到風速最小的時間也是隨高度向后推移的,在118m高度,風速最小值在9時左右。這兩地的風速隨高度日變化不同,主要是由于武漢陽邏鐵塔上下動量交換遠比錫林浩特交換的高度低所致。該結(jié)果同時也表明,中國北方地區(qū)晝夜溫度場變化大,是由于白天湍流交換比長江沿岸要大得多這一特點。因此在風能利用中,必須掌握各地不同高度風速日變化的規(guī)律。6.風速隨高度變化在近地層中,風速隨高度有顯著的變化。造成風在近地層中垂直變化的原因有動力因素和熱力因素,前者主要來源于地面的摩擦效應,即地面的粗糙度,后者主要表現(xiàn)為與近地層大氣垂直穩(wěn)定度的關系。風速與高度的關系式:式中:α為風速隨高度變化系數(shù),u1為高度為z1時的風速,un是高度為zn時的風速。一般直接應用風速隨高度變化的指數(shù)律,以10m為基準,訂正到不同高度上的風速,再計算風能。由式(21)可知,風速垂直變化取決于α值。α值的大小反映風速隨高度增加的快慢,α值大,表示風速隨高度增加的快,即風速梯度大;α值小,表示風速隨高度增加的慢,即風速梯度小。α值的變化與地面粗糙度有關,地面粗糙度是隨地面的粗糙程度變化的常數(shù)。在不同的地面粗糙度的情況下,風速隨高度變化差異很大。粗糙地面比光滑地面更易在近地層中形成湍流,使得垂直混合更為充分,混合作用加強,近地層風速梯度就減小,而梯度風的高度就較高,也就是說粗糙的地面比光滑的地面到達梯度風的高度要高,所以粗糙的地面層中的風速比光滑地面的風速小。指數(shù)α值變化一般為1/15~1/4,最常用的是1/7(即α=0.142)。1/7代表氣象站地面粗糙度。為了便于比較,計算了α=0.12、0.142、0.16時的三種不同地面粗糙度,如表22所示。由式(21)可以推導出α的計算公式為α值也可根據(jù)現(xiàn)場實測2層以上的資料推算出來,但由于風速在不同時刻,其值不同,使用不便,這里不作介紹。2.2風能分布與計算方法在了解了地球上風的形成和風帶的分布規(guī)律之后,我們將進一步估計某一地區(qū)以及更大范圍內(nèi)風能資源的潛力。這是風能利用的基礎,也是最重要的工作。因為任何風能利用裝置,從設計、制造到安裝使用以及使用效果,都必須考慮風能資源狀況。如前所述,地球上風的形成主要是由于太陽輻射造成地球各部分受熱的不均勻,因此形成了大氣環(huán)流以及各種局地環(huán)流。除了這些有規(guī)則的運動形式之外,自然界的大氣運動還有復雜而無規(guī)則的亂流運動。因此,這就給對風能資源潛力的估計、風電場的選址帶來了很大的困難,但是在大的天氣氣候背景和有利的地形條件下仍有很強的規(guī)律可循。1.中國風能資源總儲量的估計要知道風能利用究竟有多大的發(fā)展前景,就需要對它的總儲量有一個科學的估計。這樣在制定今后可以發(fā)展的各種能源比例上就能夠進行更合理的配置,充分發(fā)揮其效益。早在1948年普特南姆就對全球風能儲量進行了估算,他認為大氣總能量約為1014MW,這個數(shù)量得到世界氣象組織的認可。1954年,世界氣象組織在出版的技術(shù)報告第4期《來自于風的能量》專輯中進一步假定上述數(shù)量的一千萬分之一是可被人們所利用的,即有107MW為可利用的風能。這就相當于10000個每座發(fā)電量為100萬千瓦的利用燃料發(fā)電的發(fā)電廠的總發(fā)電量。這個數(shù)量相當于當今全世界能源的總需求量。可見,它是一個十分巨大的潛在能源庫。然而在1974年馮·阿爾克斯認為上述的量過大,這個量只是一個儲藏量,對于再生能源來說,必須跟太陽能的流入量對它的補充相平衡,其補充率比它小時,它將會衰竭,因此人們關心的是可利用的風的動能。他認為地球上可以利用的風能為106MW。即使如此,可利用風能的數(shù)量仍舊是地球上可利用的水力的10倍。因此在再生能源中,風能是一種非常可觀的、有前途的能源。古斯塔夫遜在1979年從另一個角度推算了風能利用的極限。他根據(jù)風能從根本上說是來源于太陽能這一理論,認為可以通過估計到達地球表面的太陽輻射流有多少能夠轉(zhuǎn)變?yōu)轱L能來得知有多少可利用的風能。根據(jù)他的推算,到達地球表面的太陽輻射流是1.8×1017W,經(jīng)折算后就是350W/m2,其中轉(zhuǎn)變?yōu)轱L的轉(zhuǎn)換率η=0.02,可以獲得的風能為3.6×1015W,即7W/m2。在整個大氣層中的邊界層中,風能占總風能的35%,也就是邊界層中能獲得的風能為1.3×1015W,即2.5W/m2。作為一種穩(wěn)妥的估計,在近地面層中的風能提取的極限是它的1/10,即0.25W/m2。全球的總量就是1.3×1014W。根據(jù)全國年平均風能功率密度分布圖,利用每平方米25、50、100、200W等各等值線區(qū)間的面積乘以各等級風能功率密度,然后求其各區(qū)間積之和,可計算出全國10m高度處風能儲量為322.6×1010W,即32.26億千瓦,這個儲量稱作理論可開發(fā)量。要考慮風力機間的湍流影響,一般取風力機間距等于10倍的葉輪直徑,因此按上述總量的1/10估計,并考慮風力機葉片的實際掃掠面積,因此,再乘以掃掠面積系數(shù)0.785,即為實際可開發(fā)量。由此,便可得到中國風能實際可開發(fā)量為2.53×1011W,即2.53億千瓦。這個值不包括海面上的風能資源量。同時,這僅是10m高度層上的風能資源量,而非整層大氣或整個近地層內(nèi)的風能量。因此,本估算與阿爾克斯、古斯塔夫遜等人的估算值不屬同一概念,不能直接與之比較。我國東海和南海開發(fā)利用的風能資源量為7.5億千瓦。2.風能的計算風能的利用主要就是將它的動能轉(zhuǎn)化為其他形式的能,因此計算風能的大小也就是計算氣流所具有的動能。在單位時間內(nèi)流過垂直于風速截面積A(m2)的風能,即風功率為式中:式(23)是常用的風功率公式。而在風力工程上,則習慣將之稱為風能公式。由式(23)可以看出,風能大小與氣流通過的面積、空氣密度和風速的立方成正比。因此,在風能計算中,最重要的因素是風速,風速取值準確與否對風能的估計有決定性作用。如風速大1倍,風能可大8倍。為了衡量一個地方風能的大小,評價一個地區(qū)的風能潛力,風能密度是最方便和有價值的量。風能密度是氣流在單位時間內(nèi)垂直通過單位截面積的風能。將式(23)除以相應的面積A,即當A=1時,便得到風功率密度的公式,也稱風能密度公式,即由于風速是一個隨機性很大的量,必須通過一定時間長度的觀測來了解它的平均狀況。因此在計算一段時間長度內(nèi)的平均風能密度時,可以將上式對時間積分后平均。當知道了在T時間長度內(nèi)風速v的概率分布P(v)后,平均風能密度便可計算出來。在研究了風速的統(tǒng)計特性后,可以用一定的概率分布形式來擬合,這樣就大大簡化了計算的過程。風力機需要根據(jù)一個確定的風速來確定風力機的額定功率,這個風速稱為額定風速。在這種風速下,風力機功率達到最大。風力工程中,把風力機開始運行做功時的這個風速稱為啟動風速或切入風速。達到某一極限風速時,風力機就有損壞的危險,必須停止運行,這一風速稱為停機風速或切出風速。因此,在統(tǒng)計風速資料計算風能潛力時,必須考慮這兩種風速。通常將切入風速到切出風速之間的風能稱為有效風能。因此還必須引入有效風能密度這一概念,它是有效風能范圍內(nèi)的風能平均密度。3.風能資源分布風能資源潛力的多少,是風能利用的關鍵。利用上述方法計算出的全國有效風能功率密度和可利用小時數(shù)(如圖213和圖214所示),代表了風能資源豐歉的指標值。將這兩張圖綜合歸納分析,可以看出如下幾個特點。1)大氣環(huán)流對風能分布的影響東南沿海及東海、南海諸島,因受臺風的影響,最大年平均風速在5m/s以上。大陳島臺山可達8m/s以上,風能也最大。東南海沿岸有效風能密度≥200W/m2,其等值線平行于海岸線,有效風能出現(xiàn)時間百分率可達80%~90%。風速≥3m/s的風全年出現(xiàn)累積小時數(shù)為7000~8000h;風速≥6m/s的風有4000h左右。島嶼上的有效風能密度為200~500W/m2,風能可以集中利用。福建的臺山、東山、平潭、三沙,臺灣的澎湖灣,浙江的南麂山、大陳島、嵊泗島等,有效風能密度都在500W/m2左右,風速≥3m/s的風累積為800h,換言之,平均每天可以有21h以上的風速≥3m/s。但在一些大島,如臺灣和海南,又具有獨特的風能分布特點。臺灣風能南北兩端大,中間小;海南西部大于東部。內(nèi)蒙古和甘肅北部地區(qū),高空終年在西風帶的控制下。冬半年地面在蒙古高原東南緣,冷空氣南下,因此,總有5~6級以上的風速出現(xiàn)在春夏和夏秋之交。該地區(qū)氣旋活動頻繁,當每一氣旋過境時,風速也較大。這一地區(qū)年平均風速在4m/s以上,最高可達6m/s,有效風能密

度

為200~300W/m2,風

速≥3m/s的

風

全

年

累

積

小

時

數(shù)

在5000h以

上,風速≥6m/s的風在2000h以上。其規(guī)律是從北向南遞減。其分布范圍較大,從面積來看,是中國風能連成一片的最大地帶。云南、貴州、四川、甘南、陜西、豫西、鄂西和湘西風能較小。這些地區(qū)因受西藏高原的影響,冬半年高空在西風帶的死水區(qū),冷空氣沿東亞大槽南下很少影響這里。夏半年海上來的天氣系統(tǒng)也很難到這里,所以風速較弱,年平均風速約在2.0m/s以上,有效風能密度在500W/m2以下,有效風力出現(xiàn)時間僅占20%左右。風速≥3m/s的風全年出現(xiàn)累積小時數(shù)在2000h以下,風速≥6m/s的風在150h以下。在四川盆地和西雙版納最小,年平均風速小于1m/s。這里全年靜風頻率在60%以上,如綿陽為67%,巴中為60%,阿壩為67%,恩施為75%,德格為63%,耿馬孟定為72%,景浩為79%,有效風能密度僅30W/m2

左右。風速≥3m/s的風全年出現(xiàn)累積小時數(shù)僅3000h以上,風速≥6m/s的風僅20多小時,換句話說,這里平均每18天以上才有1次10min的風速≥6m/s的風,風能是沒有利用價值的。圖214是中國風能資源分布圖。2)海陸和水體對風能分布的影響中國沿海風能都比內(nèi)陸大,湖泊都比周圍的湖濱大。這是由于氣流流經(jīng)海面或湖面的摩擦力較小,風速較大。由沿海向內(nèi)陸或由湖面向湖濱,動能很快消耗,風速急劇減小。故有效風能密度利用率小,風速≥3m/s和風速≥6m/s的風的全年累積小時的等值線不但平行于海岸線和湖岸線,而且數(shù)值相差很大。福建海濱是中國風能分布豐富地帶,而距此50km處,風能反變?yōu)樨毞Φ貛?。山東榮成和文登兩地相差不到40km,榮成的有效風能密度為240W/m2,而文登為141W/m2,相差59%。臺風風速隨著登陸的距離風速削減情況的統(tǒng)計結(jié)果如圖215所示。臺風登陸時在海岸上的地形影響風速,具體可分山脈、海拔高度和一般地形等幾個方面。3)地形對風能分布的影響(1)山脈對風能的影響。氣流在運行中遇到地形阻礙的影響,不但會改變大形勢下的風速,還會改變方向,其變化的特點與地形形狀有密切關系。一般范圍較大的地形,對氣流有屏障的作用,使氣流出現(xiàn)爬繞運動。所以在天山、祁連山、秦嶺、大小興安嶺、陰山、太行山、南嶺和武夷山等的風能密度線和可利用小時數(shù)曲線大都平行于這些山脈。特別明顯的是東南沿海的幾條東北—西南走向的山脈,如武夷山、戴云山、鷲峰山、括蒼山等。所有東南沿海式山脈,山的迎風面風能是豐富的,風能密度為200W/m2,風速≥3m/s的風出現(xiàn)的

小

時

數(shù)

約

為7000~8000h。而

在

山

區(qū)

及

其

背

風

面

風

能

密

度

在50W/m2

以

下,風速≥3m/s的風出現(xiàn)的小時數(shù)約為1000~2000h,風能是不能利用的。四川盆地和塔里木盆地由于天山和秦嶺山脈的阻擋為風能不能利用區(qū)。雅魯藏布江河谷,也是由于喜馬拉雅山脈和岡底斯山的屏障作用,風能很小,不值得利用。(2)海拔高度對風能的影響。由于地面摩擦消耗運動氣流的能量,山地風速是隨著海拔高度增加而增加的。表23是高山與山麓年平均風速對比,每上升100m,風速約增加0.11~0.34m/s。事實上,在復雜山地,很難分清地形和海拔高度的影響,二者往往交織在一起。如北京與八達嶺風力發(fā)電試驗站同時觀測的平均風速分別為2.8m/s和5.8m/s,相差3.0m/s。后者風大,一是由于它位于燕山山脈的一個南北向的低地,二是由于它海拔比北京高500多米。青藏高原海拔在4000m以上,所以這里的風速比周圍大,但其有效風能密度卻較小,在150W/m2左右。這是由于青藏高原海拔高,空氣密度較小,因此風能較小,如在4000m的空氣密度大致為地面的67%。也就是說,同樣是8m/s的風速,在平地海拔500m以下時為313.6W/m2,而在4000m時只有209.9W/m2。表23是不同地區(qū)不同海拔高度的年平均風速。(3)中小地形對風能的影響。蔽風地形風速較小,狹管地形風速增大。明顯的狹管效應地區(qū)如新疆的阿拉山口、達坂城,甘肅的安西,云南的下關等,這些地方風速都明顯增大。即使在平原上的河谷,如松花江、汾河、黃河和長江等河谷,風能也比周圍地區(qū)大。海峽也是一種狹管地形,與盛行風向一致時,風速較大,如臺灣海峽中的澎湖列島,年平均風速為6.5m/s,馬祖為5.9m/s,平潭為8.7m/s,南澳為8m/s,又如渤海海峽的長島,年平均風速為5.9m/s。局地風對風能的影響是不可低估的。在一個小山丘前,氣流受阻,強迫抬升,所以在山頂流線密集,風速加強。山的背風面,因為流線輻射,風速減小。有時氣流過一個障礙,如小山包等,其產(chǎn)生的影響在下方5~10km的范圍。有些低層風是由于地面粗糙度的變化形成的。4.風能區(qū)劃劃分風能區(qū)劃的目的,是為了了解各地風能資源的差異,以便合理地開發(fā)利用風能。1)區(qū)劃標準風能分布具有明顯的地域性的規(guī)律,這種規(guī)律反映了大型天氣系統(tǒng)的活動和地形作用的綜合影響。第一級區(qū)劃選用能反映風能資源多寡的指標,即利用年有效風能密度和年風速≥3m/s的風的年累積小時數(shù)的多少將中國分為4個區(qū),見表24。第二級區(qū)劃指標,選用一年四季中各季風能大小和有效風速出現(xiàn)的小時數(shù)。第三級區(qū)劃指標,采用風力機安全風速,即抗大風的能力,一般取30年一遇。根據(jù)這三種指標,將全國分為4個大區(qū),30個小區(qū)。一般僅需粗略地了解風能區(qū)劃的大的分布趨勢,所以,按一級指標就能滿足。2)中國風能分區(qū)及各區(qū)氣候特征按表25的指標將全國劃分為4個區(qū),如圖216所示。(1)風能豐富區(qū)。①

東南沿海、山東半島和遼東半島沿海區(qū)。這些地區(qū)由于面臨海洋,風力較大。愈向內(nèi)陸,風速愈小,風力等值線與海岸線平行。從表25中可以看出,除了高山站———臺山、天池、五臺山、賀蘭山外,全國氣象站風速≥7m/s的地方,都集中在東南沿海。平潭海洋站年平均風速為8.7m/s,是全國平地上擁有最大年平均風速的地區(qū)。該地區(qū)有效風能密度在200W/m2

以

上,海

島

上

可

達300W/m2

以

上,其

中

平

潭

最

大(749.1W/m2)。風速≥3m/s的小時數(shù)全年有6000h以上,風速≥6m/s的小時數(shù)在3500以上,而平潭分別可達7939h和6395h。也就是說,風速≥3m/s的風每天平均有21.75h。這里的風能潛力是十分可觀的。臺山、南麂、成山頭、東山、馬祖、馬公、東沙島、嵊泗等風能也都很大。這一區(qū)風能大的原因,主要是由于海面的摩擦阻力比起伏不平的陸地表面的摩擦阻力小。在氣壓梯度相同的條件下,海面上風速比陸地要大的風能的季節(jié)分配是:山東,遼東半島春季最大,冬季次之,這里30年一遇10min平均最大風速為35~40m/s,瞬間風速可達50~60m/s,為全國最大風速的最大區(qū)域;而東南沿海、臺灣及南海諸島都是秋季風能最大,冬季次之,這與秋季臺風活動頻率有關。②

三北地區(qū)。本區(qū)是內(nèi)陸風能資源最好的區(qū)域,年平均風能密度在200W/m2以上,個別地區(qū)可達300W/m2,風速≥3m/s的時間1年有5000~6000h,虎勒蓋可達7659h,風速≥6m/s的時間1年在3000h以上,個別地點在4000h以上(如朱日和為4180h)。本區(qū)地面受蒙古高壓控制,每次冷空氣南下都可造成較強風力,而且地面平坦,風速梯度較小,春季風能最大,冬季次之。30年一遇10min平均最大風速可達30~35m/s,瞬時風速為45~50m/s。而且本區(qū)地域遠較沿海為廣。③

松花江下游區(qū)。本區(qū)風能密度在200W/m2以上,風速≥3m/s的時間有5000h,每年風速≥6~20m/s的時間在3000h以上。本區(qū)的大風多數(shù)是由東北低壓造成的。東北低壓春季最易發(fā)展,秋季次之,所以春季風力最大,秋季次之。同時,這一區(qū)又處于峽谷中,北為小興安嶺,南有長白山,這一區(qū)正好在喇叭口處,風速加大。30年一遇10min平均最大風速為25~30m/s,瞬時風速為40~50m/s。(2)風能較豐富區(qū)。①

東南沿海內(nèi)陸和渤海沿海區(qū)。從汕頭沿海岸向北,沿東南沿海經(jīng)江蘇、山東、遼寧沿海到東北丹東,實際上是豐富區(qū)向內(nèi)陸的擴展。這一區(qū)的風能密度為150~200W/m2,風速≥3m/s的時間有4000~5000h,風速≥6m/s的有2000~3500h。長江口以南,大致秋季風能最大,冬季次之;長江口以北,大致春季風能最大,冬季次之。30年一遇10min平均最大風速為30m/s,瞬時風速為50m/s。②

三北的南部區(qū),即從東北圖們江口區(qū)向西,沿燕山北麓經(jīng)河西走廊,過天山到新疆阿拉山口南,橫穿三北中北部。這一區(qū)的風能密度為150~200w/m2,風速≥3m/s的時間有4000~4500h。這一區(qū)的東部也是豐富區(qū)向南向東擴展的地區(qū)。西部北疆是冷空氣的通道,風速較大也形成了風能較豐富區(qū)。30年一遇10min平均最大風速為30~32m/s,瞬時風速為45~50m/s。③

青藏高

原

區(qū)。本

區(qū)

的

風

能

密

度

在150W/m2

以

上,個

別

地

區(qū)(如

五

道

梁)可

達180W/m2;而3~20m/s的風速出現(xiàn)的時間卻比較多,一般在5000h以上(如茫崖為6500h)。所以,若不考慮風能密度,僅以風速≥3m/s出現(xiàn)時間來進行區(qū)劃,那么該地區(qū)應為風能豐富區(qū)。但是,由于這里海拔在3000~5000m以上,空氣密度較小。在風速相同的情況下,這里的風能較海拔低的地區(qū)為小,若風速同樣是8m/s,上海的風能密度為313.3W/m2,而呼和浩特為286.0W/m2,二地高度相差1000m,風能密度則相差10%。林芝與上海高度相差約3000m,風能密度相差30%;那曲與上海高度相差4500m,風能密度則相差40%(見表26)。由此可見,計算青藏高原(包括內(nèi)陸的高山)的風能時,必須考慮空氣密度的影響,否則計算值將會大大地偏高。青藏高原海拔較高,離高空西風帶較近,春季隨著地面增熱,對流加強,上下冷熱空氣交換,使西風急流動量下傳,風力較大,故這一區(qū)的春季風能最大,夏季次之。這是由于此區(qū)在夏季轉(zhuǎn)為東風急流控制,西南季風爆發(fā),雨季來臨,但由于熱力作用強大,對流活動頻繁且旺盛,所以風力也較大。30年一遇10min平均最大風速為30m/s,雖然這里極端風速可達11~12級,但由于空氣密度小,風壓卻只相當于平原的10級。(3)風能可利用區(qū)。①

兩廣沿海區(qū)。這一區(qū)在南嶺以南,包括福建海岸向內(nèi)陸50~100km的地帶。其風能密度為50~100W/m2,每年風速≥3m/s的時間為2000~4000h,基本上從東向西逐漸減小。本區(qū)位于大陸的南端,但冬季仍有強大冷空氣南下,其冷鋒可越過本區(qū)到達南海,使本區(qū)風力增大。所以,本區(qū)的冬季風最大;秋季受臺風的影響,風力次之。由廣東沿海的陽江以西沿海,包括雷州半島,春季風能最大。這是由于冷空氣在春季被南嶺山地阻擋,一股股冷空氣沿漓江河谷南下,使這一地區(qū)的春季風力變大。秋季,臺風對這里雖有影響,但臺風西行路徑僅占所有臺風的19%,臺風影響不如冬季冷空氣影響的次數(shù)多,故本區(qū)的冬季風能較秋季為大。30年一遇10min平均最大風速可達37m/s,瞬時風速可達58m/s。②

大小

興

安

嶺

山

地

區(qū)。大

小

興

安

嶺

山

地

的

風

能

密

度

在100W/m2

左

右,每

年

風速≥3m/s的時間為3000~4000h。冷空氣只有偏北時才能影響到這里,本區(qū)的風力受東北低壓影響較大,故春、秋季風能大。30年一遇最大10min平均風速可達37m/s,瞬時風速可達45~50m/s。③

中部地區(qū),即從東北長白山開始向西過華北平原,經(jīng)西北到中國最西端,貫穿中國東西的廣大地區(qū)。由于本區(qū)有風能欠缺區(qū)(即以四川為中心)在中間隔開,這一區(qū)的形狀與希臘字母“π”很相像,它約占全國面積的50%。在“π”字形的前一半,包括西北各省的一部分、川西和青藏高原的東部與南部。風能密度為100~150W/m2,一年風速≥3m/s的時間有4000h左右。這一區(qū)春季風能最大,夏季次之。但雅魯藏布江兩側(cè)(包括橫斷山脈河谷)的風能春季最大,冬季次之。“π”字形的后一半分布在黃河和長江中下游,這一區(qū)風力主要是冷空氣南下造成的,每當冷空氣過境,風速明顯加大,所以這一地區(qū)的春、冬季風能大。冷空氣南移的過程中,地面氣溫較高,冷空氣很快變性分裂,很少有明顯的冷空氣到達長江以南。但這時臺風活躍,所以這里秋季風能相對較大,春季次之。30年一遇最大10min平均風速為25m/s左右,瞬時風速可達40m/s。(4)風能欠缺區(qū)。①

川云貴和南嶺山地區(qū)。本區(qū)以四川為中心,西為青藏高原,北為秦嶺,南為大婁山,東面為巫山和武陵山等。這一地區(qū)冬半年處于高空西風帶“死水區(qū)”,四周的高山使冷空氣很難入侵,夏半年臺風也很難影響到這里,所以,這一地區(qū)為全國最小風能區(qū),風能密度在500W/m2以下,成都僅為35W/m2左右;風速≥3m/s的時間在2000h以上,成都僅有400h,恩施、景洪二地更小。南嶺山地風能欠缺。由于春、秋季冷空氣南下,受到南嶺阻擋,往往停留在這里,冬季弱空氣到此地也形成南嶺準靜止峰,故風力較小。南嶺北側(cè)受冷空氣影響相對比較明顯,所以冬、春季風力最大。南嶺南側(cè)多為臺風影響,故風力最大的在冬、秋兩季。30年一遇10min平均最大風速20~25m/s,瞬時風速可達30~38m/s。②

雅魯藏布江和昌都區(qū)。雅魯藏布江河谷兩側(cè)為高山。昌都地區(qū)也在橫斷山脈河谷中。這兩地區(qū)由于山脈屏障,冷、暖空氣都很難侵入,所以風力很小。有效風能密度在50W/m2以下,風速≥3m/s的時間在2000h以下。雅魯藏布江風能是春季最大,冬季次之,而昌都是春季最大,夏季次之。30年一遇10min平均最大風速為25m/s,瞬時風速為38m/s。③

塔里木盆地西部區(qū)。本區(qū)四面亦為高山環(huán)抱,冷空氣偶爾越過天山,但為數(shù)不多,所以風力較小。塔里木盆地東部由于是一馬蹄形“C”的開口,冷空氣可以從東灌入,風力較大,所以盆地東部屬可利用區(qū)。30年一遇10min平均最大風速為25~28m/s,瞬時風速為40m/s左右。3)各風能區(qū)中,不同下墊面風速的變化上面已談到,4個風能區(qū)是粗略地區(qū)分開來的。往往在一些情況下,豐富區(qū)中可能包括較豐富的地區(qū),較豐富區(qū)又包括豐富的額地區(qū)。這種差異,一般是由于下墊面造成的,特別是山脊山頂和海岸帶地區(qū)。根據(jù)大量實測資料對比分析,參照國外的資料給出表27。由表27可知,氣象站觀測的風速較小,這主要是由于氣象站一般位置在城市附近,受城市建筑等的影響,測得的風速偏小。如在豐富區(qū),氣象站年平均風速為4.5m/s,開闊的平原為6m/s,海岸帶為6.5m/s,到山頂可達7.0m/s。這就說明地形對風速的影響是很大的。若以風能而論,則大得更為明顯,同是豐富區(qū),氣象站風能功率密度為225W/m2,而山頂可達425W/m2,幾乎增加1倍。2.3中國風電的必要性和發(fā)展政策2.3.1發(fā)展風電的必要性中國有豐富的風能資源,為發(fā)展風電事業(yè)創(chuàng)造了十分有利的條件。目前電力發(fā)電、火力發(fā)電仍是中國的主力電源,主要以燃煤發(fā)電為主,正在大量排放CO2和SO2等污染氣體,形成大量的PM2.5,這對中國環(huán)境保護極為不利。而發(fā)展風電,有利于中國電源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和減少污染氣體的排放,緩解全球變暖的趨勢,同時又有利于減少能源進口方面的壓力,對提高中國能源供應的多樣性和安全性將作出積極的貢獻。2.3.2國家對發(fā)展風電的政策支持由于風電場建設成本較高,加之風能的不穩(wěn)定性,因而導致風電電價較高,無法與常規(guī)的火電相競爭。在這種情況下,為了支持發(fā)展風力發(fā)電,國家曾給予多方面政策支持。例如,1994年原電力工業(yè)部決定將風電作為電力工業(yè)的新清潔能源,制定了關于風電并網(wǎng)的規(guī)定。規(guī)定指出,風電場可以就近上網(wǎng),而電力部門應全部收購其電量,同時指出其電價可按“發(fā)電成本加還本付息加合理利潤”原則確定,高于電網(wǎng)平均電價的部分在網(wǎng)內(nèi)攤銷。為了搞好風電場項目的規(guī)范化管理,國家又陸續(xù)發(fā)布了一些行業(yè)標準,如風電場項目可行性研究報告編制規(guī)程和風電場運行規(guī)程等。有了上述的政策支持,從此風電的發(fā)展便進入了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段。與此同時,國家為了支持和鼓勵發(fā)展風電產(chǎn)業(yè),原國家計委和國家經(jīng)貿(mào)委曾給建立采用國產(chǎn)機組的示范風電場業(yè)主提供補貼或貼息貸款。2.3.3發(fā)展風電的展望據(jù)不完全統(tǒng)計,我國2003年年初在建項目的裝機容量約為60多萬千瓦,其中正在施工的約有10萬千瓦,可研批復的有22萬千瓦,項目建議書批復的有32萬千瓦,包括兩個特許權(quán)項目。如果這些項目能夠如期完成,那么到2005年底合計裝機可超過100萬千瓦?！笆晃濉庇媱澠陂g(2006~2010年),全國新增風電裝機容量達280萬千瓦,因而累計裝機總?cè)萘考s可達400萬千瓦。2012年,中國(不包括臺灣地區(qū))新增安裝風電機組7872臺,裝機容量為12960MW,同比下降26.5%;累計安裝風電機組53764臺,裝機容量為75324.2MW,同比增長20.8%。風力發(fā)電是一個集計算機技術(shù)、空氣動力學、結(jié)構(gòu)力學和材料科學等為一體的綜合性學科技術(shù)。中國有豐富的風能資源,因此風力發(fā)電在中國有著廣闊的發(fā)展前景,而風能利用必將為中國的環(huán)保事業(yè)、能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整、減少對進口能源依賴做出巨大的貢獻。展望未來,隨著風電機組制造成本的不斷降低,化石燃料的逐步減少及其開采成本的增加,大力發(fā)展風力發(fā)電勢在必行。3.1空氣動力學

3.2風力機原理與結(jié)構(gòu)3.1空氣動力學3.1.1葉片翼型的幾何形狀