1.1風(fēng)力發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展方向

1.2我國風(fēng)力發(fā)電研發(fā)及開發(fā)應(yīng)用

1.3前景展望1.1風(fēng)力發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展方向人類對(duì)風(fēng)能利用已有數(shù)千年的歷史。在蒸汽機(jī)發(fā)明之前,風(fēng)能一直被用來作為碾磨谷物、抽水、船舶航行等機(jī)械設(shè)備的動(dòng)力。如今,風(fēng)能可以在大范圍內(nèi)無污染地發(fā)電,提供給獨(dú)立用戶或輸送到中央電網(wǎng)。由于風(fēng)能資源豐富,風(fēng)電技術(shù)相當(dāng)成熟,風(fēng)電價(jià)格越來越具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,因此風(fēng)電成為世界上增長(zhǎng)最快的能源。近幾年來,風(fēng)電裝機(jī)容量年均增長(zhǎng)超過30%,而每年新增風(fēng)電裝機(jī)容量的增長(zhǎng)率則達(dá)到35.7%。同時(shí),風(fēng)電裝備制造業(yè)發(fā)展迅猛,恒速、變速等各類風(fēng)力發(fā)電機(jī)組逐步實(shí)現(xiàn)了商品化和產(chǎn)業(yè)化,大型風(fēng)力發(fā)電在世界各地進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化。1.1.1風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由風(fēng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組組成,一般由葉片(集風(fēng)裝置)、發(fā)電機(jī)(包括傳動(dòng)裝置)、調(diào)向器(尾翼)、塔架、限速安全機(jī)構(gòu)和儲(chǔ)能裝置等構(gòu)件組成。風(fēng)力發(fā)電有三種運(yùn)行方式:一是獨(dú)立運(yùn)行方式,整套系統(tǒng)通常由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、逆變器和蓄電池三部分組成,風(fēng)力發(fā)電機(jī)向一個(gè)或幾個(gè)用戶提供電力,蓄電池用于蓄能,以保證無風(fēng)時(shí)的用電;二是混合型風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行方式,整套系統(tǒng)除了風(fēng)力發(fā)電機(jī)外,還帶有一套備用的發(fā)電系統(tǒng),通常采用柴油機(jī),在風(fēng)力發(fā)電機(jī)不能提供足夠的電力時(shí),讓柴油機(jī)投入運(yùn)行;三是風(fēng)力發(fā)電并入常規(guī)電網(wǎng)運(yùn)行,向大電網(wǎng)提供電力,通常是一處風(fēng)電場(chǎng)安裝幾十臺(tái)甚至幾百臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī),這是風(fēng)力發(fā)電的主要方式。1.1.2風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向隨著科技的不斷進(jìn)步和世界各國能源政策的傾斜,風(fēng)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(fēng)電技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。1.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向大型化發(fā)展21世紀(jì)以前,國際風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)上主流機(jī)型容量從50kW增加到1500kW。進(jìn)入21世紀(jì)后,隨著技術(shù)的日趨成熟,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不斷向大型化發(fā)展。目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的規(guī)模一直在不斷增大,國際上單機(jī)容量1~3MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已成為國際主流風(fēng)電機(jī)組,5MW風(fēng)電機(jī)組已投入試運(yùn)行。2004年以來,1MW以上的兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)占到新增裝機(jī)容量的74.90%。大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有陸地和海上兩種發(fā)展模式。陸地風(fēng)力發(fā)電,其方向是低風(fēng)速發(fā)電技術(shù),主要機(jī)型是1~3MW的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,這種模式的關(guān)鍵是向電網(wǎng)輸電。近海風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī),布置大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。隨著陸地風(fēng)電場(chǎng)利用空間越來越小,海上風(fēng)電場(chǎng)在未來風(fēng)能開發(fā)中將占據(jù)越來越重要的份額。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,發(fā)電機(jī)是能量轉(zhuǎn)換的核心部分。在風(fēng)力發(fā)電中,當(dāng)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí),要求風(fēng)電頻率和電網(wǎng)頻率保持一致,即風(fēng)電頻率保持恒定。因此風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)按發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式分為恒速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)(CSCF系統(tǒng))和變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)(VSCF系統(tǒng))。恒速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是指在風(fēng)力發(fā)電過程中保持發(fā)電機(jī)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(jiǎn)單,所采用的發(fā)電機(jī)主要是同步發(fā)電機(jī)和鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī),前者以由電機(jī)極數(shù)和頻率所決定的同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行,后者則以稍高于同步轉(zhuǎn)速的速度運(yùn)行。變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是指在風(fēng)力發(fā)電過程中發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以隨風(fēng)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(fēng)力機(jī)葉片長(zhǎng)度可變隨著風(fēng)輪直徑的增加,風(fēng)力機(jī)可以捕捉更多的風(fēng)能。直徑為40m的風(fēng)輪適用于500kW的風(fēng)力機(jī),而直徑為80m的風(fēng)輪則可用于2.5MW的風(fēng)力機(jī)。長(zhǎng)度超過80m的葉片已經(jīng)成功運(yùn)行。每一米葉片長(zhǎng)度的增加,都會(huì)使風(fēng)力機(jī)可捕捉的風(fēng)能顯著增加。和葉片長(zhǎng)度一樣,葉片設(shè)計(jì)對(duì)提高風(fēng)能利用也有著重要的作用。目前丹麥、美國、德國等風(fēng)電技術(shù)發(fā)達(dá)的國家和一些知名風(fēng)電制造企業(yè)正在利用先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)條件致力于研究長(zhǎng)度可變的葉片技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)可以根據(jù)風(fēng)況,調(diào)整葉片的長(zhǎng)度。當(dāng)風(fēng)速較低時(shí),葉片會(huì)完全伸展,以最大限度地產(chǎn)生電力;隨著風(fēng)速增大,輸出電力會(huì)逐步增至風(fēng)力機(jī)的額定功率,一旦風(fēng)速超過這一峰點(diǎn),葉片就會(huì)回縮以限制輸電量;如果風(fēng)速繼續(xù)增大,葉片長(zhǎng)度會(huì)繼續(xù)縮小直至最短。風(fēng)速自高向低變化時(shí),葉片長(zhǎng)度也會(huì)作相應(yīng)調(diào)整。3.風(fēng)機(jī)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(fēng)電機(jī)去掉了沉重的增速齒輪箱,發(fā)電機(jī)軸直接連接到風(fēng)力機(jī)軸上,轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)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(shè)計(jì)成在幾乎所有的風(fēng)況下都能獲得較大的空氣動(dòng)力效率,從而大大地提高了風(fēng)力機(jī)捕捉風(fēng)能的效率。試驗(yàn)表明,在平均風(fēng)速為每秒6、7m時(shí),變速風(fēng)電機(jī)要比恒速風(fēng)電機(jī)多捕獲15%的風(fēng)能。同時(shí)由于機(jī)艙質(zhì)量的減輕,改善了傳動(dòng)系統(tǒng)各部件的受力狀況,使風(fēng)電機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)減輕,從而使設(shè)施費(fèi)用降低,運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用也降低。這種技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上可行,具有較廣泛的應(yīng)用前景。4.風(fēng)力發(fā)電從陸地向海面拓展海上有豐富的風(fēng)能資源和廣闊平坦的區(qū)域,風(fēng)速大且穩(wěn)定,日平均利用小時(shí)數(shù)可達(dá)到20個(gè)小時(shí)以上。同容量裝機(jī),海上比陸上成本增加60%,電量增加50%以上。隨著風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展,陸地上的風(fēng)機(jī)總數(shù)已經(jīng)趨于飽和,海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)將成為未來發(fā)展的重點(diǎn)。雖然近海風(fēng)電場(chǎng)的前期資金投入和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用都比陸上風(fēng)電場(chǎng)高得多,但大型風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)使大型風(fēng)力機(jī)變得切實(shí)可行。為了在海上風(fēng)場(chǎng)安裝更大機(jī)組,許多大型風(fēng)力機(jī)制造商正在開發(fā)3~5MW的機(jī)組,多兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在近海風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的商業(yè)化運(yùn)行是國內(nèi)外風(fēng)能利用的新趨勢(shì)。從2006年開始,歐洲的海上風(fēng)力發(fā)電開始大規(guī)模起飛。到2010年,歐洲海上風(fēng)力發(fā)電的裝機(jī)容量達(dá)到10000MW。目前德國正在建設(shè)的北海近海風(fēng)電場(chǎng),總功率為100萬千瓦,單機(jī)功率為5MW,是目前世界上最大的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng),該風(fēng)電場(chǎng)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(shè)計(jì)新型塔架。采用新型塔架結(jié)構(gòu)有助于提高風(fēng)力機(jī)的經(jīng)濟(jì)可行性。Valmount工業(yè)公司提出了一個(gè)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(shè)計(jì)比鋼制結(jié)構(gòu)堅(jiān)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(jiǎn)式風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)成本的一半。用一個(gè)活動(dòng)提升平臺(tái),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(diǎn)。由于其成本低且無需大型起重機(jī),這種新型塔架拓寬了風(fēng)能利用的可用場(chǎng)址范圍。1.2我國風(fēng)力發(fā)電研發(fā)及開發(fā)應(yīng)用1.2.1我國風(fēng)電技術(shù)研發(fā)與進(jìn)展我國風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展從20世紀(jì)80年代由小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(diǎn)對(duì)600kW三葉片、失速型、雙速型發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了研制,掌握了整體總裝技術(shù)和關(guān)鍵部件葉片、電控、發(fā)電機(jī)、齒輪輻等的設(shè)計(jì)制造技術(shù),初步掌握了總體設(shè)計(jì)技術(shù),對(duì)變槳距600kW風(fēng)電機(jī)組也研制出了樣機(jī)?！笆濉逼陂g,科技部對(duì)750kW的失速型風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)和產(chǎn)品進(jìn)行攻關(guān),并取得了成功。目前,600kW和750kW定槳距失速型機(jī)組已經(jīng)成為經(jīng)市場(chǎng)驗(yàn)證的、批量生產(chǎn)的主要國產(chǎn)機(jī)組。在此基礎(chǔ)上,“十五”期間國家863計(jì)劃支持了國內(nèi)數(shù)家企業(yè)研制兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,以追趕世界主流機(jī)型先進(jìn)技術(shù)。另外,還采取和國外公司合作設(shè)計(jì),以在國內(nèi)采購生產(chǎn)主要部件組裝風(fēng)電機(jī)組的方式,進(jìn)行1.2MW直驅(qū)式變速恒頻風(fēng)電機(jī)組研制項(xiàng)目。第一臺(tái)樣機(jī)已經(jīng)于2005年5月投入試運(yùn)行,國產(chǎn)化率達(dá)到25%。第二臺(tái)樣機(jī)于2006年2月投入試運(yùn)行,國產(chǎn)化率達(dá)到90%。該項(xiàng)目完成后,將形成具有國內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的1.2MW直接驅(qū)動(dòng)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)型,同時(shí)初步形成大型風(fēng)電機(jī)組的自主設(shè)計(jì)能力以及葉片、電控系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)等關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)和批量生產(chǎn)能力。我國對(duì)兆瓦級(jí)變速恒頻風(fēng)電機(jī)組項(xiàng)目的研制,完全立足于自主設(shè)計(jì)。技術(shù)方案采取雙饋發(fā)電機(jī)、變槳距、變速技術(shù),完成了總體和主要部件設(shè)計(jì)、縮比模型加工制造及模擬試驗(yàn)研究、風(fēng)電機(jī)組總裝方案的制訂,其中兆瓦級(jí)變速恒頻風(fēng)電機(jī)組多功能縮比模型填補(bǔ)了我國大型風(fēng)電機(jī)組實(shí)驗(yàn)室地面試驗(yàn)和仿真測(cè)試設(shè)備的空白。首臺(tái)樣機(jī)已經(jīng)于2005年9月投入試運(yùn)行。該項(xiàng)目完成后,我國將形成1MW雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)電機(jī)組機(jī)型和一套風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)開發(fā)方法,從而為全面掌握風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)技術(shù)提供基礎(chǔ)。在市場(chǎng)的激勵(lì)下,2004年以來進(jìn)入風(fēng)電制造業(yè)的眾多企業(yè)還通過引進(jìn)技術(shù)或自主研發(fā)迅速啟動(dòng)了兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的制造。其中一些企業(yè)與國外知名風(fēng)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(jìn)國際風(fēng)電市場(chǎng)主流成熟機(jī)型的總裝技術(shù),在早期直接進(jìn)口主要部件,然后努力消化吸收,逐步實(shí)現(xiàn)部件國產(chǎn)化。總體上看,當(dāng)前國內(nèi)眾多整機(jī)制造企業(yè)引進(jìn)和研制的各種型號(hào)兆瓦級(jí)機(jī)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(jí)機(jī)組控制系統(tǒng)仍依賴進(jìn)口。國內(nèi)大型風(fēng)電用發(fā)電機(jī)的研制生產(chǎn)始于20世紀(jì)90年代初。在國內(nèi)堅(jiān)實(shí)的電機(jī)工業(yè)基礎(chǔ)上以及國內(nèi)風(fēng)電市場(chǎng)的拉動(dòng)下,目前數(shù)家企業(yè)已具備750kW級(jí)發(fā)電機(jī)的批量生產(chǎn)供應(yīng)能力,并在近兩年內(nèi)研制出了兆瓦級(jí)雙饋型發(fā)電機(jī)并投入試運(yùn)行。大型風(fēng)電機(jī)組葉片一度是我國風(fēng)電國產(chǎn)化的主要瓶頸。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了600kW和750kW葉片的設(shè)計(jì)制造技術(shù)并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,形成了研制兆瓦級(jí)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(dá)到1000MW/年。風(fēng)電機(jī)組電控系統(tǒng)是國內(nèi)風(fēng)電機(jī)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(shè)備的單位經(jīng)刻苦攻關(guān),已掌握600kW、750kW風(fēng)電機(jī)組的電控系統(tǒng)技術(shù),可批量生產(chǎn)。地球上的風(fēng)能資源非常豐富,開發(fā)潛力巨大,全球已有不少于70個(gè)國家在利用風(fēng)能。風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能的主要利用形式。近年來,全球范圍內(nèi)風(fēng)電裝機(jī)容量持續(xù)較快增長(zhǎng)。到2009年年底,全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)總量已超過15000萬千瓦,中國風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)總量突破2500萬千瓦,約占全球風(fēng)電的1/6。中國風(fēng)電裝機(jī)容量增長(zhǎng)迅猛,年度新增裝機(jī)容量增長(zhǎng)率連續(xù)6年超過100%,成為風(fēng)電產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)速度最快的國家。近年來,風(fēng)電大開發(fā)有力帶動(dòng)了相關(guān)設(shè)備市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展。在國家政策支持和能源供應(yīng)緊張的背景下,中國風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)迅速崛起,已經(jīng)成為全球風(fēng)電投資最為活躍的場(chǎng)所。國際風(fēng)電設(shè)備巨頭競(jìng)相進(jìn)軍中國市場(chǎng),Gamesa、Vestas等國外風(fēng)電設(shè)備企業(yè)紛紛在中國設(shè)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(fēng)電設(shè)備制造業(yè)逐步發(fā)展壯大,產(chǎn)業(yè)鏈日趨完善,風(fēng)電機(jī)組自主化研發(fā)取得豐碩成果,關(guān)鍵零部件市場(chǎng)迅速擴(kuò)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(fēng)機(jī)市場(chǎng),到2009年,這一市場(chǎng)份額已超過了6成。中國對(duì)風(fēng)電的政策支持由來已久。政策支持的對(duì)象由過去的注重發(fā)電轉(zhuǎn)向了注重扶持國內(nèi)風(fēng)電設(shè)備制造。隨著國產(chǎn)風(fēng)電設(shè)備自主制造能力不斷加強(qiáng),2010年國家取消了國產(chǎn)化率政策,提升了準(zhǔn)入門檻,加快了風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和產(chǎn)業(yè)升級(jí),進(jìn)一步規(guī)范了風(fēng)電設(shè)備產(chǎn)業(yè)的有序發(fā)展。中國正逢風(fēng)電發(fā)展的大好時(shí)機(jī),遍地開花的風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)意味著龐大的設(shè)備需求。除了風(fēng)電整機(jī)需求不斷增長(zhǎng)之外,葉片、齒輪箱、大型軸承、電控等風(fēng)電設(shè)備零部件的供給能力仍不能完全滿足需求,市場(chǎng)增長(zhǎng)潛力巨大。因此,中國風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)發(fā)展前景樂觀。1.2.2江蘇省2010-2015年風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研發(fā)與進(jìn)展江蘇省是我國較早利用風(fēng)能的地區(qū)之一,風(fēng)能資源較豐富。江蘇的風(fēng)能資源蘊(yùn)藏量約有238萬千瓦。江蘇沿海灘涂狹長(zhǎng),風(fēng)能資源優(yōu)良,是建設(shè)大型海上風(fēng)電場(chǎng)的理想場(chǎng)區(qū),近海風(fēng)力發(fā)電潛力巨大。進(jìn)入21世紀(jì)以來,江蘇省逐步加大了對(duì)風(fēng)能資源的開發(fā)力度,對(duì)全省風(fēng)能資源的儲(chǔ)量、分布、開發(fā)前景進(jìn)行了深入調(diào)研,科學(xué)規(guī)劃了一批風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目。2006年,江蘇如東15萬千瓦風(fēng)電場(chǎng)首批風(fēng)電機(jī)組正式并網(wǎng)發(fā)電,這是江蘇省內(nèi)風(fēng)電機(jī)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(dòng)或獲準(zhǔn)建設(shè)風(fēng)電項(xiàng)目。海風(fēng)電場(chǎng)走廊成為江蘇沿海近千公里海岸線上的一個(gè)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(shì)所趨。2010年,中國啟動(dòng)海上風(fēng)電的首輪特許招標(biāo),初步選定在江蘇的沿海地區(qū)建設(shè)兩個(gè)近海風(fēng)電和兩個(gè)灘涂風(fēng)電項(xiàng)目。其中,近海風(fēng)電規(guī)模定為30萬千瓦,灘涂風(fēng)電規(guī)模定為20萬千瓦。江蘇風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迎來了歷史性發(fā)展機(jī)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(jìn),成本高,電煤供給緊缺,污染嚴(yán)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(shè)核電的地形地貌)。因此,加快開發(fā)風(fēng)力資源,對(duì)江蘇能源結(jié)構(gòu)調(diào)整有一定促進(jìn)作用。江蘇省有效利用風(fēng)能資源,大規(guī)模發(fā)展風(fēng)電產(chǎn)業(yè),有利于和礦產(chǎn)資源、港口運(yùn)輸、制造業(yè)發(fā)展相結(jié)合,構(gòu)建包括風(fēng)機(jī)制造、風(fēng)力發(fā)電、與風(fēng)電有關(guān)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(fēng)電產(chǎn)業(yè)體系,在長(zhǎng)三角地區(qū)形成獨(dú)特的綠色能源利用高地。2.1風(fēng)能

2.2風(fēng)能分布與計(jì)算方法

2.3中國風(fēng)電的必要性和發(fā)展政策2.1風(fēng)能1.大氣環(huán)流(1)溫差形成的空氣流動(dòng)。風(fēng)的形成是空氣流動(dòng)的結(jié)果?？諝饬鲃?dòng)的原因是多方面的,由于地球繞太陽運(yùn)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(qiáng)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(qiáng)度強(qiáng),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(dòng)。(2)地球自轉(zhuǎn)形成的空氣流動(dòng)。由于地球自轉(zhuǎn)形成了科里奧利力,簡(jiǎn)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(yùn)動(dòng),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(dá)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(dāng)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(shí)際的環(huán)流比上述情況要復(fù)雜得多。2.季風(fēng)環(huán)流在一個(gè)大范圍地區(qū)內(nèi),它的盛行風(fēng)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(fēng)向的風(fēng),稱為季風(fēng)。季風(fēng)盛行地區(qū)的氣候又稱季風(fēng)氣候。亞洲東部的季風(fēng)主要包括中國的東部、朝鮮、日本等地區(qū)。亞洲南部的季風(fēng),以印度半島最為顯著,這就是世界聞名的印度季風(fēng)。中國位于亞洲的東南部,所以東亞季風(fēng)和南亞季風(fēng)對(duì)中國天氣氣候變化都有很大影響。圖2-2是季風(fēng)的地理分布。形成中國季風(fēng)環(huán)流的因素很多,主要是由海陸差異、行星風(fēng)帶的季風(fēng)轉(zhuǎn)換以及地形特征等綜合形成的。1)海陸分布對(duì)中國季風(fēng)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(fēng)從大陸吹向海洋;夏季則相反,陸地很快變暖,海洋相對(duì)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(fēng)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(fēng)明顯。2)行星風(fēng)帶位置季節(jié)轉(zhuǎn)換對(duì)中國季風(fēng)的作用地球上存在著5個(gè)風(fēng)帶。東北信風(fēng)帶、盛行西風(fēng)帶、極地東風(fēng)帶在南半球和北半球是對(duì)稱分布的。這5個(gè)風(fēng)帶,在北半球的夏季都向北移動(dòng),而冬季則向南移動(dòng)。這樣,冬季西風(fēng)帶的南緣地帶在夏季可以變成東風(fēng)帶。因此,冬夏盛行風(fēng)就會(huì)發(fā)生180°的變化。冬季,中國主要在西風(fēng)帶的影響下,強(qiáng)大的西伯利亞高壓籠罩著全國,盛行偏北氣流。夏季,西風(fēng)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(fēng)。3)青藏高原對(duì)中國季風(fēng)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(duì)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(qiáng)了地面高壓系統(tǒng),使冬季風(fēng)增強(qiáng);在夏季,高原相對(duì)于周圍自由大氣是一個(gè)熱源,加強(qiáng)了高原周圍地區(qū)的低壓系統(tǒng),使夏季季風(fēng)得到加強(qiáng)。另外,在夏季,西南季風(fēng)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(fēng)海陸風(fēng)的形成與季風(fēng)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(fēng)的范圍小,以天為周期,勢(shì)力也相對(duì)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(duì)較低,使地面有風(fēng)自海洋吹向大陸,補(bǔ)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(bǔ)充海上吹向大陸的氣流,形成一個(gè)完整的熱力環(huán)流;夜間環(huán)流的方向正好相反,所以風(fēng)從陸地吹向海洋。將這種白天從海洋吹向大陸的風(fēng)稱為海風(fēng),夜間從陸地吹向海洋的風(fēng)稱為陸風(fēng),將一天中海陸之間的周期循性環(huán)流總稱為海陸風(fēng)(如圖2-4所示)。海陸風(fēng)的強(qiáng)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(fēng)的風(fēng)速比陸風(fēng)大,在典型的情況下,風(fēng)速可達(dá)4~7m/s;而陸風(fēng)一般僅為2m/s左右。海陸風(fēng)最強(qiáng)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(qiáng),所以海陸風(fēng)較為明顯,尤以夏季為甚。此外,在大湖附近同樣日間有風(fēng)自湖面吹向陸地,稱為湖風(fēng),夜間有風(fēng)自陸地吹向湖面,稱為陸風(fēng),合稱湖陸風(fēng)。2)山谷風(fēng)山谷風(fēng)的形成原理跟海陸風(fēng)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(yuǎn),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(bǔ)充,這樣便在山坡與山谷之間形成一個(gè)熱力環(huán)流。下層風(fēng)由谷底吹向山坡,稱為谷風(fēng)。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(yuǎn),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(fēng)由山坡吹向谷底,稱為山風(fēng)。山風(fēng)和谷風(fēng)又總稱為山谷風(fēng)(如圖2-5所示)。山谷風(fēng)風(fēng)速一般較弱,谷風(fēng)比山風(fēng)大一些,谷風(fēng)速度一般為2~4m/s,有時(shí)可達(dá)6~7m/s。谷風(fēng)通過山隘時(shí),風(fēng)速加大。山風(fēng)速度一般僅為1~2m/s。但在峽谷中,風(fēng)速還能增大一些。4.中國風(fēng)能資源的形成風(fēng)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(guān)重要。風(fēng)能在空間分布上是分散的,在時(shí)間分布上也是不穩(wěn)定和不連續(xù)的,也就是說風(fēng)速對(duì)天氣氣候非常敏感,時(shí)有時(shí)無,時(shí)大時(shí)小,盡管如此風(fēng)能資源在時(shí)間和空間分布上仍存在著很強(qiáng)的地域性和時(shí)間性。對(duì)中國來說,風(fēng)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(gè)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(fēng)能資源豐富的地區(qū)冬季(12~2月份),整個(gè)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(jìn)入中國。同時(shí)還有移動(dòng)性的高壓(反氣旋)不時(shí)地南下,南下時(shí)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(dá)10℃以上,則稱為一次寒潮,不符合這一標(biāo)準(zhǔn)的稱為一次冷空氣。影響中國的冷空氣有5個(gè)源地,這5個(gè)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(zhǎng)江中下游入海,有時(shí)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(fēng)、降溫并常伴有風(fēng)沙。另一條經(jīng)過華北北部、東北平原,東移進(jìn)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(fēng),也給長(zhǎng)江以北地區(qū)帶來大范圍的大風(fēng)、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(dāng)冷空氣經(jīng)過蒙古高壓時(shí)得到新的冷高壓的補(bǔ)充和加強(qiáng),這種高壓往往可以迅速南下,進(jìn)入中國。每當(dāng)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(dòng)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(shí),在冷鋒后面200km附近經(jīng)?？沙霈F(xiàn)大風(fēng),可造成一次6~10級(jí)(10.8~24.4m/s)大風(fēng)。而對(duì)風(fēng)能資源利用來說,就是一次可以有效利用的高質(zhì)量風(fēng)速。強(qiáng)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(zhǎng)途跋涉,到達(dá)中國黃河中下游,再到長(zhǎng)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(rùn)的氣流性質(zhì)(稱為變性),也就是冷空氣逐漸地變暖,這時(shí)氣壓差也變小,所以,風(fēng)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(fēng)向都是偏北風(fēng),只因其相對(duì)蒙古高壓中心的位置不同而實(shí)際偏北的角度有所區(qū)別。三北地區(qū)多為西北風(fēng),秦嶺黃河下游以南的廣大地區(qū),盛行風(fēng)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(qiáng)度已明顯地減弱,而這時(shí)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(shí),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(gè)高、低氣壓系統(tǒng)的強(qiáng)弱、消長(zhǎng)都對(duì)中國風(fēng)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(dòng)最多的季節(jié),特別是中國東北及內(nèi)蒙古一帶氣旋活動(dòng)頻繁,造成內(nèi)蒙古和東北的大風(fēng)和沙暴天氣。同樣,江南氣旋活動(dòng)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(fēng)資源較南方豐富的一個(gè)主要原因。全國風(fēng)向已不如冬季那樣穩(wěn)定少變,但仍以偏北風(fēng)占優(yōu)勢(shì),但風(fēng)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(shì)與冬季完全相反。這時(shí)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(fēng)。太平洋副熱帶高壓此時(shí)也向北擴(kuò)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(gè)環(huán)流系統(tǒng)的強(qiáng)弱和相互作用所制約。隨著太平洋副熱帶高壓的西伸北擴(kuò),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(fēng)速不大,夏季是全國全年風(fēng)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(fēng)盛行偏南風(fēng)。秋季(9~11月份)是由夏季到冬季的過渡季節(jié),這時(shí)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(fēng)來得迅速,且維持穩(wěn)定。此時(shí),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(fēng)轉(zhuǎn)為東北風(fēng)。三北地區(qū)秋季已確立了冬季風(fēng)的形勢(shì)。各地多為穩(wěn)定的偏北風(fēng),風(fēng)速開始增大。2)東南沿海及其島嶼風(fēng)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(xué)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(dāng)冷空氣到達(dá)海上時(shí),風(fēng)速增大,再加上海洋表面平滑,摩擦力小,一般風(fēng)速比大陸快2~4m/s。東南沿海又受臺(tái)灣海峽的影響,每當(dāng)冷空氣南下到達(dá)這里時(shí),由于狹管效應(yīng)的影響使風(fēng)速增大,因此是風(fēng)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表21)。當(dāng)熱帶氣旋風(fēng)速達(dá)到8級(jí)(17.2m/s)以上時(shí),稱為臺(tái)風(fēng)。臺(tái)風(fēng)是一種直徑為1000km左右的圓形氣旋,中心氣壓極低。距臺(tái)風(fēng)中心10~30km的范圍內(nèi)是臺(tái)風(fēng)眼,臺(tái)風(fēng)眼中天氣極好,風(fēng)速很小。在臺(tái)風(fēng)眼外壁,天氣最為惡劣,最大破壞風(fēng)速就出現(xiàn)在這個(gè)范圍內(nèi),所以一般只要不是臺(tái)風(fēng)正面直接登陸的地區(qū),風(fēng)速一般小于10級(jí)(26m/s),它的影響平均有800~1000km的直徑范圍。每當(dāng)臺(tái)風(fēng)登陸后,沿海地區(qū)就產(chǎn)生一次大風(fēng)過程,而風(fēng)速基本上在風(fēng)力機(jī)切出風(fēng)速范圍之內(nèi),所以這是一次滿發(fā)電的好機(jī)會(huì)。登陸臺(tái)風(fēng)在中國每年有11次,而廣東每年登陸臺(tái)風(fēng)最多,為3.5次,海南次之,為2.1次,臺(tái)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(jì)僅為1.7次,由此可見,臺(tái)風(fēng)影響的地區(qū)由南向北遞減。對(duì)從臺(tái)灣路徑通過的次數(shù),進(jìn)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(yuǎn)大于北部沿海,對(duì)風(fēng)能資源來說也是南大北小。由于臺(tái)風(fēng)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(fēng)僅在距海岸幾十公里內(nèi),風(fēng)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(tái)風(fēng),都能影響到沿海及其島嶼。相對(duì)內(nèi)陸來說,這里形成了風(fēng)能豐富帶。由于臺(tái)灣海灣的狹管效應(yīng)的影響,東南沿海及其島嶼是風(fēng)能最佳豐富區(qū)。中國的海岸線有18000多公里,有6000多個(gè)島嶼和近海廣大的海域,這里是風(fēng)能大有開發(fā)利用前景的地區(qū)。3)內(nèi)陸風(fēng)能資源豐富地區(qū)在兩個(gè)風(fēng)能豐富帶之外,風(fēng)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(fēng)能比較豐富,如鄱陽湖附近較周圍地區(qū)風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)速,在平原上風(fēng)能功率密度為313.6W/m2,而在海拔4000m處只為209.9W/m2,所以對(duì)風(fēng)能利用來說仍屬一般地區(qū)。5.中國風(fēng)速變化特性1)風(fēng)速年變化各月平均風(fēng)速的空間分布與造成風(fēng)速的天氣氣候背景、地形以及海陸分布等有直接關(guān)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(fēng)速最大的時(shí)期絕大部分出現(xiàn)在春季,風(fēng)速最小出現(xiàn)在秋季。以內(nèi)蒙古多倫為代表,風(fēng)速最大的時(shí)期在3~5月份,最小的時(shí)期在7~9月份。冬季冷空氣經(jīng)三北地區(qū)奔騰而下,風(fēng)速也較大,但春季不但有冷空氣經(jīng)過,而且氣旋活動(dòng)頻繁,故而春季比冬季風(fēng)要大些。北京也是3月份和4月份風(fēng)速最大,7~9月份風(fēng)速最小。但在新疆北部,風(fēng)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(fēng)速最大,冬季風(fēng)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(fēng)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(qiáng),容易產(chǎn)生較大氣壓梯度,所以風(fēng)速最大。東南沿海全年風(fēng)速的變化以福建平潭為例,如圖28所示,夏季風(fēng)較小,秋季風(fēng)速最大。由于秋季北方冷高壓加強(qiáng)南下,海上臺(tái)風(fēng)活躍北上,東南沿海氣壓梯度很大,再加上東南沿海全年風(fēng)速的變化以福建平潭為例,如圖28所示,夏季風(fēng)較小,秋季風(fēng)速最大。由于秋季北方冷高壓加強(qiáng)南下,海上臺(tái)風(fēng)活躍北上,東南沿海氣壓梯度很大,再加上臺(tái)灣海峽的狹管效應(yīng),因此風(fēng)速最大;初夏因受到熱帶高壓脊的控制,風(fēng)速最小。青藏高原以班戈為代表,風(fēng)速年變化如圖2-8所示,它是春季風(fēng)速最大,夏季最小。在春季,由于高空西風(fēng)氣流穩(wěn)定維持在這一地區(qū),高空動(dòng)量下傳,所以風(fēng)速最大;在夏季,由于高空西風(fēng)氣流北移,地面為熱低壓,因此風(fēng)速較小。2)風(fēng)速日變化風(fēng)速日變化即風(fēng)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(fēng)速日變化是白天風(fēng)速大,午后14時(shí)左右達(dá)到最大,晚上風(fēng)速小,在清晨6時(shí)左右風(fēng)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(duì)流旺盛,高層風(fēng)動(dòng)量下傳,使下層空氣流動(dòng)加速,且加速最多,因此風(fēng)速最大;日落后地面迅速冷卻,氣層趨于穩(wěn)定,風(fēng)速逐漸減小,到日出前地面氣溫最低,有時(shí)形成逆風(fēng),因此風(fēng)速最小。如圖29所示是某城市某日濕度

風(fēng)速變化曲線。海上風(fēng)速日變化與陸地相反,白天風(fēng)速小,午后14時(shí)左右最小,夜間風(fēng)速大,清晨6時(shí)左右風(fēng)速最大。地面風(fēng)速日變化是因高空動(dòng)量下傳引起的,而動(dòng)量下傳又與海陸晝夜穩(wěn)定變化不同有關(guān)。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(fēng)速日變化的幅度較陸面為小,這是因?yàn)楹Ｃ嫔纤疁睾蜌鉁氐娜兆兓急汝懙匦『完懙厣习滋鞂?duì)流強(qiáng)于海上夜間的緣故。但在近海地區(qū)或海島上,風(fēng)速的變化既受海面的影響又受陸地的影響,所以風(fēng)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(fēng)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(fēng)速日變化幾乎已經(jīng)接近陸上風(fēng)速日變化的類型。風(fēng)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(fēng)的梯度觀測(cè)有9層,即5、10、15、20、30、62、87、119、146m。觀測(cè)5年,不同高度風(fēng)速日變化特點(diǎn)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(fēng)大,夜間風(fēng)小,在30m以上隨高度的增加,風(fēng)速日變化逐漸由白天風(fēng)大向夜間風(fēng)大轉(zhuǎn)變,到62m以上基本上是白天風(fēng)小,夜間風(fēng)大。這一結(jié)果與北方錫林浩特鐵塔4年的實(shí)測(cè)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(fēng)速單調(diào)上升,直到午后達(dá)到最大。但達(dá)到最大的時(shí)間,隨高度增加向后推移,低層10m為14時(shí),118m為17時(shí)左右。此后,隨著午后太陽輻射強(qiáng)度的減弱,上下層交換又隨之減弱,相應(yīng)風(fēng)速又開始下降,在早7時(shí)左右風(fēng)速最小。達(dá)到風(fēng)速最小的時(shí)間也是隨高度向后推移的,在118m高度,風(fēng)速最小值在9時(shí)左右。這兩地的風(fēng)速隨高度日變化不同,主要是由于武漢陽邏鐵塔上下動(dòng)量交換遠(yuǎn)比錫林浩特交換的高度低所致。該結(jié)果同時(shí)也表明,中國北方地區(qū)晝夜溫度場(chǎng)變化大,是由于白天湍流交換比長(zhǎng)江沿岸要大得多這一特點(diǎn)。因此在風(fēng)能利用中,必須掌握各地不同高度風(fēng)速日變化的規(guī)律。6.風(fēng)速隨高度變化在近地層中,風(fēng)速隨高度有顯著的變化。造成風(fēng)在近地層中垂直變化的原因有動(dòng)力因素和熱力因素,前者主要來源于地面的摩擦效應(yīng),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(guān)系。風(fēng)速與高度的關(guān)系式:式中:α為風(fēng)速隨高度變化系數(shù),u1為高度為z1時(shí)的風(fēng)速,un是高度為zn時(shí)的風(fēng)速。一般直接應(yīng)用風(fēng)速隨高度變化的指數(shù)律,以10m為基準(zhǔn),訂正到不同高度上的風(fēng)速,再計(jì)算風(fēng)能。由式(21)可知,風(fēng)速垂直變化取決于α值。α值的大小反映風(fēng)速隨高度增加的快慢,α值大,表示風(fēng)速隨高度增加的快,即風(fēng)速梯度大;α值小,表示風(fēng)速隨高度增加的慢,即風(fēng)速梯度小。α值的變化與地面粗糙度有關(guān),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(fēng)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(qiáng),近地層風(fēng)速梯度就減小,而梯度風(fēng)的高度就較高,也就是說粗糙的地面比光滑的地面到達(dá)梯度風(fēng)的高度要高,所以粗糙的地面層中的風(fēng)速比光滑地面的風(fēng)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(jì)算了α=0.12、0.142、0.16時(shí)的三種不同地面粗糙度,如表22所示。由式(21)可以推導(dǎo)出α的計(jì)算公式為α值也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)2層以上的資料推算出來,但由于風(fēng)速在不同時(shí)刻,其值不同,使用不便,這里不作介紹。2.2風(fēng)能分布與計(jì)算方法在了解了地球上風(fēng)的形成和風(fēng)帶的分布規(guī)律之后,我們將進(jìn)一步估計(jì)某一地區(qū)以及更大范圍內(nèi)風(fēng)能資源的潛力。這是風(fēng)能利用的基礎(chǔ),也是最重要的工作。因?yàn)槿魏物L(fēng)能利用裝置,從設(shè)計(jì)、制造到安裝使用以及使用效果,都必須考慮風(fēng)能資源狀況。如前所述,地球上風(fēng)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(yùn)動(dòng)形式之外,自然界的大氣運(yùn)動(dòng)還有復(fù)雜而無規(guī)則的亂流運(yùn)動(dòng)。因此,這就給對(duì)風(fēng)能資源潛力的估計(jì)、風(fēng)電場(chǎng)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(qiáng)的規(guī)律可循。1.中國風(fēng)能資源總儲(chǔ)量的估計(jì)要知道風(fēng)能利用究竟有多大的發(fā)展前景,就需要對(duì)它的總儲(chǔ)量有一個(gè)科學(xué)的估計(jì)。這樣在制定今后可以發(fā)展的各種能源比例上就能夠進(jìn)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(duì)全球風(fēng)能儲(chǔ)量進(jìn)行了估算,他認(rèn)為大氣總能量約為1014MW,這個(gè)數(shù)量得到世界氣象組織的認(rèn)可。1954年,世界氣象組織在出版的技術(shù)報(bào)告第4期《來自于風(fēng)的能量》專輯中進(jìn)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(fēng)能。這就相當(dāng)于10000個(gè)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(gè)數(shù)量相當(dāng)于當(dāng)今全世界能源的總需求量?？梢?它是一個(gè)十分巨大的潛在能源庫。然而在1974年馮·阿爾克斯認(rèn)為上述的量過大,這個(gè)量只是一個(gè)儲(chǔ)藏量,對(duì)于再生能源來說,必須跟太陽能的流入量對(duì)它的補(bǔ)充相平衡,其補(bǔ)充率比它小時(shí),它將會(huì)衰竭,因此人們關(guān)心的是可利用的風(fēng)的動(dòng)能。他認(rèn)為地球上可以利用的風(fēng)能為106MW。即使如此,可利用風(fēng)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(fēng)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(gè)角度推算了風(fēng)能利用的極限。他根據(jù)風(fēng)能從根本上說是來源于太陽能這一理論,認(rèn)為可以通過估計(jì)到達(dá)地球表面的太陽輻射流有多少能夠轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)能來得知有多少可利用的風(fēng)能。根據(jù)他的推算,到達(dá)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(fēng)的轉(zhuǎn)換率η=0.02,可以獲得的風(fēng)能為3.6×1015W,即7W/m2。在整個(gè)大氣層中的邊界層中,風(fēng)能占總風(fēng)能的35%,也就是邊界層中能獲得的風(fēng)能為1.3×1015W,即2.5W/m2。作為一種穩(wěn)妥的估計(jì),在近地面層中的風(fēng)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(fēng)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(jí)風(fēng)能功率密度,然后求其各區(qū)間積之和,可計(jì)算出全國10m高度處風(fēng)能儲(chǔ)量為322.6×1010W,即32.26億千瓦,這個(gè)儲(chǔ)量稱作理論可開發(fā)量。要考慮風(fēng)力機(jī)間的湍流影響,一般取風(fēng)力機(jī)間距等于10倍的葉輪直徑,因此按上述總量的1/10估計(jì),并考慮風(fēng)力機(jī)葉片的實(shí)際掃掠面積,因此,再乘以掃掠面積系數(shù)0.785,即為實(shí)際可開發(fā)量。由此,便可得到中國風(fēng)能實(shí)際可開發(fā)量為2.53×1011W,即2.53億千瓦。這個(gè)值不包括海面上的風(fēng)能資源量。同時(shí),這僅是10m高度層上的風(fēng)能資源量,而非整層大氣或整個(gè)近地層內(nèi)的風(fēng)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(fēng)能資源量為7.5億千瓦。2.風(fēng)能的計(jì)算風(fēng)能的利用主要就是將它的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能,因此計(jì)算風(fēng)能的大小也就是計(jì)算氣流所具有的動(dòng)能。在單位時(shí)間內(nèi)流過垂直于風(fēng)速截面積A(m2)的風(fēng)能,即風(fēng)功率為式中:式(23)是常用的風(fēng)功率公式。而在風(fēng)力工程上,則習(xí)慣將之稱為風(fēng)能公式。由式(23)可以看出,風(fēng)能大小與氣流通過的面積、空氣密度和風(fēng)速的立方成正比。因此,在風(fēng)能計(jì)算中,最重要的因素是風(fēng)速,風(fēng)速取值準(zhǔn)確與否對(duì)風(fēng)能的估計(jì)有決定性作用。如風(fēng)速大1倍,風(fēng)能可大8倍。為了衡量一個(gè)地方風(fēng)能的大小,評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)的風(fēng)能潛力,風(fēng)能密度是最方便和有價(jià)值的量。風(fēng)能密度是氣流在單位時(shí)間內(nèi)垂直通過單位截面積的風(fēng)能。將式(23)除以相應(yīng)的面積A,即當(dāng)A=1時(shí),便得到風(fēng)功率密度的公式,也稱風(fēng)能密度公式,即由于風(fēng)速是一個(gè)隨機(jī)性很大的量,必須通過一定時(shí)間長(zhǎng)度的觀測(cè)來了解它的平均狀況。因此在計(jì)算一段時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)的平均風(fēng)能密度時(shí),可以將上式對(duì)時(shí)間積分后平均。當(dāng)知道了在T時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)風(fēng)速v的概率分布P(v)后,平均風(fēng)能密度便可計(jì)算出來。在研究了風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)特性后,可以用一定的概率分布形式來擬合,這樣就大大簡(jiǎn)化了計(jì)算的過程。風(fēng)力機(jī)需要根據(jù)一個(gè)確定的風(fēng)速來確定風(fēng)力機(jī)的額定功率,這個(gè)風(fēng)速稱為額定風(fēng)速。在這種風(fēng)速下,風(fēng)力機(jī)功率達(dá)到最大。風(fēng)力工程中,把風(fēng)力機(jī)開始運(yùn)行做功時(shí)的這個(gè)風(fēng)速稱為啟動(dòng)風(fēng)速或切入風(fēng)速。達(dá)到某一極限風(fēng)速時(shí),風(fēng)力機(jī)就有損壞的危險(xiǎn),必須停止運(yùn)行,這一風(fēng)速稱為停機(jī)風(fēng)速或切出風(fēng)速。因此,在統(tǒng)計(jì)風(fēng)速資料計(jì)算風(fēng)能潛力時(shí),必須考慮這兩種風(fēng)速。通常將切入風(fēng)速到切出風(fēng)速之間的風(fēng)能稱為有效風(fēng)能。因此還必須引入有效風(fēng)能密度這一概念,它是有效風(fēng)能范圍內(nèi)的風(fēng)能平均密度。3.風(fēng)能資源分布風(fēng)能資源潛力的多少,是風(fēng)能利用的關(guān)鍵。利用上述方法計(jì)算出的全國有效風(fēng)能功率密度和可利用小時(shí)數(shù)(如圖213和圖214所示),代表了風(fēng)能資源豐歉的指標(biāo)值。將這兩張圖綜合歸納分析,可以看出如下幾個(gè)特點(diǎn)。1)大氣環(huán)流對(duì)風(fēng)能分布的影響東南沿海及東海、南海諸島,因受臺(tái)風(fēng)的影響,最大年平均風(fēng)速在5m/s以上。大陳島臺(tái)山可達(dá)8m/s以上,風(fēng)能也最大。東南海沿岸有效風(fēng)能密度≥200W/m2,其等值線平行于海岸線,有效風(fēng)能出現(xiàn)時(shí)間百分率可達(dá)80%~90%。風(fēng)速≥3m/s的風(fēng)全年出現(xiàn)累積小時(shí)數(shù)為7000~8000h;風(fēng)速≥6m/s的風(fēng)有4000h左右。島嶼上的有效風(fēng)能密度為200~500W/m2,風(fēng)能可以集中利用。福建的臺(tái)山、東山、平潭、三沙,臺(tái)灣的澎湖灣,浙江的南麂山、大陳島、嵊泗島等,有效風(fēng)能密度都在500W/m2左右,風(fēng)速≥3m/s的風(fēng)累積為800h,換言之,平均每天可以有21h以上的風(fēng)速≥3m/s。但在一些大島,如臺(tái)灣和海南,又具有獨(dú)特的風(fēng)能分布特點(diǎn)。臺(tái)灣風(fēng)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(fēng)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(jí)以上的風(fēng)速出現(xiàn)在春夏和夏秋之交。該地區(qū)氣旋活動(dòng)頻繁,當(dāng)每一氣旋過境時(shí),風(fēng)速也較大。這一地區(qū)年平均風(fēng)速在4m/s以上,最高可達(dá)6m/s,有效風(fēng)能密

度

為200~300W/m2,風(fēng)

速≥3m/s的

風(fēng)

全

年

累

積

小

時(shí)

數(shù)

在5000h以

上,風(fēng)速≥6m/s的風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)速較弱,年平均風(fēng)速約在2.0m/s以上,有效風(fēng)能密度在500W/m2以下,有效風(fēng)力出現(xiàn)時(shí)間僅占20%左右。風(fēng)速≥3m/s的風(fēng)全年出現(xiàn)累積小時(shí)數(shù)在2000h以下,風(fēng)速≥6m/s的風(fēng)在150h以下。在四川盆地和西雙版納最小,年平均風(fēng)速小于1m/s。這里全年靜風(fēng)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(fēng)能密度僅30W/m2

左右。風(fēng)速≥3m/s的風(fēng)全年出現(xiàn)累積小時(shí)數(shù)僅3000h以上,風(fēng)速≥6m/s的風(fēng)僅20多小時(shí),換句話說,這里平均每18天以上才有1次10min的風(fēng)速≥6m/s的風(fēng),風(fēng)能是沒有利用價(jià)值的。圖214是中國風(fēng)能資源分布圖。2)海陸和水體對(duì)風(fēng)能分布的影響中國沿海風(fēng)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(fēng)速較大。由沿海向內(nèi)陸或由湖面向湖濱,動(dòng)能很快消耗,風(fēng)速急劇減小。故有效風(fēng)能密度利用率小,風(fēng)速≥3m/s和風(fēng)速≥6m/s的風(fēng)的全年累積小時(shí)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(fēng)能分布豐富地帶,而距此50km處,風(fēng)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(fēng)能密度為240W/m2,而文登為141W/m2,相差59%。臺(tái)風(fēng)風(fēng)速隨著登陸的距離風(fēng)速削減情況的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖215所示。臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)在海岸上的地形影響風(fēng)速,具體可分山脈、海拔高度和一般地形等幾個(gè)方面。3)地形對(duì)風(fēng)能分布的影響(1)山脈對(duì)風(fēng)能的影響。氣流在運(yùn)行中遇到地形阻礙的影響,不但會(huì)改變大形勢(shì)下的風(fēng)速,還會(huì)改變方向,其變化的特點(diǎn)與地形形狀有密切關(guān)系。一般范圍較大的地形,對(duì)氣流有屏障的作用,使氣流出現(xiàn)爬繞運(yùn)動(dòng)。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(fēng)能密度線和可利用小時(shí)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(fēng)面風(fēng)能是豐富的,風(fēng)能密度為200W/m2,風(fēng)速≥3m/s的風(fēng)出現(xiàn)的

小

時(shí)

數(shù)

約

為7000~8000h。而

在

山

區(qū)

及

其

背

風(fēng)

面

風(fēng)

能

密

度

在50W/m2

以

下,風(fēng)速≥3m/s的風(fēng)出現(xiàn)的小時(shí)數(shù)約為1000~2000h,風(fēng)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(fēng)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(fēng)能很小,不值得利用。(2)海拔高度對(duì)風(fēng)能的影響。由于地面摩擦消耗運(yùn)動(dòng)氣流的能量,山地風(fēng)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(fēng)速對(duì)比,每上升100m,風(fēng)速約增加0.11~0.34m/s。事實(shí)上,在復(fù)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(dá)嶺風(fēng)力發(fā)電試驗(yàn)站同時(shí)觀測(cè)的平均風(fēng)速分別為2.8m/s和5.8m/s,相差3.0m/s。后者風(fēng)大,一是由于它位于燕山山脈的一個(gè)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(fēng)速比周圍大,但其有效風(fēng)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(fēng)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(fēng)速,在平地海拔500m以下時(shí)為313.6W/m2,而在4000m時(shí)只有209.9W/m2。表23是不同地區(qū)不同海拔高度的年平均風(fēng)速。(3)中小地形對(duì)風(fēng)能的影響。蔽風(fēng)地形風(fēng)速較小,狹管地形風(fēng)速增大。明顯的狹管效應(yīng)地區(qū)如新疆的阿拉山口、達(dá)坂城,甘肅的安西,云南的下關(guān)等,這些地方風(fēng)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(zhǎng)江等河谷,風(fēng)能也比周圍地區(qū)大。海峽也是一種狹管地形,與盛行風(fēng)向一致時(shí),風(fēng)速較大,如臺(tái)灣海峽中的澎湖列島,年平均風(fēng)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(zhǎng)島,年平均風(fēng)速為5.9m/s。局地風(fēng)對(duì)風(fēng)能的影響是不可低估的。在一個(gè)小山丘前,氣流受阻,強(qiáng)迫抬升,所以在山頂流線密集,風(fēng)速加強(qiáng)。山的背風(fēng)面,因?yàn)榱骶€輻射,風(fēng)速減小。有時(shí)氣流過一個(gè)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(fēng)是由于地面粗糙度的變化形成的。4.風(fēng)能區(qū)劃劃分風(fēng)能區(qū)劃的目的,是為了了解各地風(fēng)能資源的差異,以便合理地開發(fā)利用風(fēng)能。1)區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)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(dòng)和地形作用的綜合影響。第一級(jí)區(qū)劃選用能反映風(fēng)能資源多寡的指標(biāo),即利用年有效風(fēng)能密度和年風(fēng)速≥3m/s的風(fēng)的年累積小時(shí)數(shù)的多少將中國分為4個(gè)區(qū),見表24。第二級(jí)區(qū)劃指標(biāo),選用一年四季中各季風(fēng)能大小和有效風(fēng)速出現(xiàn)的小時(shí)數(shù)。第三級(jí)區(qū)劃指標(biāo),采用風(fēng)力機(jī)安全風(fēng)速,即抗大風(fēng)的能力,一般取30年一遇。根據(jù)這三種指標(biāo),將全國分為4個(gè)大區(qū),30個(gè)小區(qū)。一般僅需粗略地了解風(fēng)能區(qū)劃的大的分布趨勢(shì),所以,按一級(jí)指標(biāo)就能滿足。2)中國風(fēng)能分區(qū)及各區(qū)氣候特征按表25的指標(biāo)將全國劃分為4個(gè)區(qū),如圖216所示。(1)風(fēng)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(fēng)力較大。愈向內(nèi)陸,風(fēng)速愈小,風(fēng)力等值線與海岸線平行。從表25中可以看出,除了高山站———臺(tái)山、天池、五臺(tái)山、賀蘭山外,全國氣象站風(fēng)速≥7m/s的地方,都集中在東南沿海。平潭海洋站年平均風(fēng)速為8.7m/s,是全國平地上擁有最大年平均風(fēng)速的地區(qū)。該地區(qū)有效風(fēng)能密度在200W/m2

以

上,海

島

上

可

達(dá)300W/m2

以

上,其

中

平

潭

最

大(749.1W/m2)。風(fēng)速≥3m/s的小時(shí)數(shù)全年有6000h以上,風(fēng)速≥6m/s的小時(shí)數(shù)在3500以上,而平潭分別可達(dá)7939h和6395h。也就是說,風(fēng)速≥3m/s的風(fēng)每天平均有21.75h。這里的風(fēng)能潛力是十分可觀的。臺(tái)山、南麂、成山頭、東山、馬祖、馬公、東沙島、嵊泗等風(fēng)能也都很大。這一區(qū)風(fēng)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(fēng)速比陸地要大的風(fēng)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(fēng)速為35~40m/s,瞬間風(fēng)速可達(dá)50~60m/s,為全國最大風(fēng)速的最大區(qū)域;而東南沿海、臺(tái)灣及南海諸島都是秋季風(fēng)能最大,冬季次之,這與秋季臺(tái)風(fēng)活動(dòng)頻率有關(guān)。②

三北地區(qū)。本區(qū)是內(nèi)陸風(fēng)能資源最好的區(qū)域,年平均風(fēng)能密度在200W/m2以上,個(gè)別地區(qū)可達(dá)300W/m2,風(fēng)速≥3m/s的時(shí)間1年有5000~6000h,虎勒蓋可達(dá)7659h,風(fēng)速≥6m/s的時(shí)間1年在3000h以上,個(gè)別地點(diǎn)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(qiáng)風(fēng)力,而且地面平坦,風(fēng)速梯度較小,春季風(fēng)能最大,冬季次之。30年一遇10min平均最大風(fēng)速可達(dá)30~35m/s,瞬時(shí)風(fēng)速為45~50m/s。而且本區(qū)地域遠(yuǎn)較沿海為廣。③

松花江下游區(qū)。本區(qū)風(fēng)能密度在200W/m2以上,風(fēng)速≥3m/s的時(shí)間有5000h,每年風(fēng)速≥6~20m/s的時(shí)間在3000h以上。本區(qū)的大風(fēng)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(fēng)力最大,秋季次之。同時(shí),這一區(qū)又處于峽谷中,北為小興安嶺,南有長(zhǎng)白山,這一區(qū)正好在喇叭口處,風(fēng)速加大。30年一遇10min平均最大風(fēng)速為25~30m/s,瞬時(shí)風(fēng)速為40~50m/s。(2)風(fēng)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(shí)際上是豐富區(qū)向內(nèi)陸的擴(kuò)展。這一區(qū)的風(fēng)能密度為150~200W/m2,風(fēng)速≥3m/s的時(shí)間有4000~5000h,風(fēng)速≥6m/s的有2000~3500h。長(zhǎng)江口以南,大致秋季風(fēng)能最大,冬季次之;長(zhǎng)江口以北,大致春季風(fēng)能最大,冬季次之。30年一遇10min平均最大風(fēng)速為30m/s,瞬時(shí)風(fēng)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(fēng)能密度為150~200w/m2,風(fēng)速≥3m/s的時(shí)間有4000~4500h。這一區(qū)的東部也是豐富區(qū)向南向東擴(kuò)展的地區(qū)。西部北疆是冷空氣的通道,風(fēng)速較大也形成了風(fēng)能較豐富區(qū)。30年一遇10min平均最大風(fēng)速為30~32m/s,瞬時(shí)風(fēng)速為45~50m/s。③

青藏高

原

區(qū)。本

區(qū)

的

風(fēng)

能

密

度

在150W/m2

以

上,個(gè)

別

地

區(qū)(如

五

道

梁)可

達(dá)180W/m2;而3~20m/s的風(fēng)速出現(xiàn)的時(shí)間卻比較多,一般在5000h以上(如茫崖為6500h)。所以,若不考慮風(fēng)能密度,僅以風(fēng)速≥3m/s出現(xiàn)時(shí)間來進(jìn)行區(qū)劃,那么該地區(qū)應(yīng)為風(fēng)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(fēng)速相同的情況下,這里的風(fēng)能較海拔低的地區(qū)為小,若風(fēng)速同樣是8m/s,上海的風(fēng)能密度為313.3W/m2,而呼和浩特為286.0W/m2,二地高度相差1000m,風(fēng)能密度則相差10%。林芝與上海高度相差約3000m,風(fēng)能密度相差30%;那曲與上海高度相差4500m,風(fēng)能密度則相差40%(見表26)。由此可見,計(jì)算青藏高原(包括內(nèi)陸的高山)的風(fēng)能時(shí),必須考慮空氣密度的影響,否則計(jì)算值將會(huì)大大地偏高。青藏高原海拔較高,離高空西風(fēng)帶較近,春季隨著地面增熱,對(duì)流加強(qiáng),上下冷熱空氣交換,使西風(fēng)急流動(dòng)量下傳,風(fēng)力較大,故這一區(qū)的春季風(fēng)能最大,夏季次之。這是由于此區(qū)在夏季轉(zhuǎn)為東風(fēng)急流控制,西南季風(fēng)爆發(fā),雨季來臨,但由于熱力作用強(qiáng)大,對(duì)流活動(dòng)頻繁且旺盛,所以風(fēng)力也較大。30年一遇10min平均最大風(fēng)速為30m/s,雖然這里極端風(fēng)速可達(dá)11~12級(jí),但由于空氣密度小,風(fēng)壓卻只相當(dāng)于平原的10級(jí)。(3)風(fēng)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(fēng)能密度為50~100W/m2,每年風(fēng)速≥3m/s的時(shí)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(qiáng)大冷空氣南下,其冷鋒可越過本區(qū)到達(dá)南海,使本區(qū)風(fēng)力增大。所以,本區(qū)的冬季風(fēng)最大;秋季受臺(tái)風(fēng)的影響,風(fēng)力次之。由廣東沿海的陽江以西沿海,包括雷州半島,春季風(fēng)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(fēng)力變大。秋季,臺(tái)風(fēng)對(duì)這里雖有影響,但臺(tái)風(fēng)西行路徑僅占所有臺(tái)風(fēng)的19%,臺(tái)風(fēng)影響不如冬季冷空氣影響的次數(shù)多,故本區(qū)的冬季風(fēng)能較秋季為大。30年一遇10min平均最大風(fēng)速可達(dá)37m/s,瞬時(shí)風(fēng)速可達(dá)58m/s。②

大小

興

安

嶺

山

地

區(qū)。大

小

興

安

嶺

山

地

的

風(fēng)

能

密

度

在100W/m2

左

右,每

年

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

中部地區(qū),即從東北長(zhǎng)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(fēng)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(fēng)能密度為100~150W/m2,一年風(fēng)速≥3m/s的時(shí)間有4000h左右。這一區(qū)春季風(fēng)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(fēng)能春季最大,冬季次之?！唉小弊中蔚暮笠话敕植荚邳S河和長(zhǎng)江中下游,這一區(qū)風(fēng)力主要是冷空氣南下造成的,每當(dāng)冷空氣過境,風(fēng)速明顯加大,所以這一地區(qū)的春、冬季風(fēng)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(dá)長(zhǎng)江以南。但這時(shí)臺(tái)風(fēng)活躍,所以這里秋季風(fēng)能相對(duì)較大,春季次之。30年一遇最大10min平均風(fēng)速為25m/s左右,瞬時(shí)風(fēng)速可達(dá)40m/s。(4)風(fēng)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(fēng)帶“死水區(qū)”,四周的高山使冷空氣很難入侵,夏半年臺(tái)風(fēng)也很難影響到這里,所以,這一地區(qū)為全國最小風(fēng)能區(qū),風(fēng)能密度在500W/m2以下,成都僅為35W/m2左右;風(fēng)速≥3m/s的時(shí)間在2000h以上,成都僅有400h,恩施、景洪二地更小。南嶺山地風(fēng)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(zhǔn)靜止峰,故風(fēng)力較小。南嶺北側(cè)受冷空氣影響相對(duì)比較明顯,所以冬、春季風(fēng)力最大。南嶺南側(cè)多為臺(tái)風(fēng)影響,故風(fēng)力最大的在冬、秋兩季。30年一遇10min平均最大風(fēng)速20~25m/s,瞬時(shí)風(fēng)速可達(dá)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(fēng)力很小。有效風(fēng)能密度在50W/m2以下,風(fēng)速≥3m/s的時(shí)間在2000h以下。雅魯藏布江風(fēng)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(fēng)速為25m/s,瞬時(shí)風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)速為25~28m/s,瞬時(shí)風(fēng)速為40m/s左右。3)各風(fēng)能區(qū)中,不同下墊面風(fēng)速的變化上面已談到,4個(gè)風(fēng)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(shí)測(cè)資料對(duì)比分析,參照國外的資料給出表27。由表27可知,氣象站觀測(cè)的風(fēng)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(cè)得的風(fēng)速偏小。如在豐富區(qū),氣象站年平均風(fēng)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(dá)7.0m/s。這就說明地形對(duì)風(fēng)速的影響是很大的。若以風(fēng)能而論,則大得更為明顯,同是豐富區(qū),氣象站風(fēng)能功率密度為225W/m2,而山頂可達(dá)425W/m2,幾乎增加1倍。2.3中國風(fēng)電的必要性和發(fā)展政策2.3.1發(fā)展風(fēng)電的必要性中國有豐富的風(fēng)能資源,為發(fā)展風(fēng)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(duì)中國環(huán)境保護(hù)極為不利。而發(fā)展風(fēng)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(shì),同時(shí)又有利于減少能源進(jìn)口方面的壓力,對(duì)提高中國能源供應(yīng)的多樣性和安全性將作出積極的貢獻(xiàn)。2.3.2國家對(duì)發(fā)展風(fēng)電的政策支持由于風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)成本較高,加之風(fēng)能的不穩(wěn)定性,因而導(dǎo)致風(fēng)電電價(jià)較高,無法與常規(guī)的火電相競(jìng)爭(zhēng)。在這種情況下,為了支持發(fā)展風(fēng)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(fēng)電作為電力工業(yè)的新清潔能源,制定了關(guān)于風(fēng)電并網(wǎng)的規(guī)定。規(guī)定指出,風(fēng)電場(chǎng)可以就近上網(wǎng),而電力部門應(yīng)全部收購其電量,同時(shí)指出其電價(jià)可按“發(fā)電成本加還本付息加合理利潤(rùn)”原則確定,高于電網(wǎng)平均電價(jià)的部分在網(wǎng)內(nèi)攤銷。為了搞好風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目的規(guī)范化管理,國家又陸續(xù)發(fā)布了一些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),如風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目可行性研究報(bào)告編制規(guī)程和風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行規(guī)程等。有了上述的政策支持,從此風(fēng)電的發(fā)展便進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段。與此同時(shí),國家為了支持和鼓勵(lì)發(fā)展風(fēng)電產(chǎn)業(yè),原國家計(jì)委和國家經(jīng)貿(mào)委曾給建立采用國產(chǎn)機(jī)組的示范風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主提供補(bǔ)貼或貼息貸款。2.3.3發(fā)展風(fēng)電的展望據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國2003年年初在建項(xiàng)目的裝機(jī)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(fù)的有22萬千瓦,項(xiàng)目建議書批復(fù)的有32萬千瓦,包括兩個(gè)特許權(quán)項(xiàng)目。如果這些項(xiàng)目能夠如期完成,那么到2005年底合計(jì)裝機(jī)可超過100萬千瓦?！笆晃濉庇?jì)劃期間(2006~2010年),全國新增風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)280萬千瓦,因而累計(jì)裝機(jī)總?cè)萘考s可達(dá)400萬千瓦。2012年,中國(不包括臺(tái)灣地區(qū))新增安裝風(fēng)電機(jī)組7872臺(tái),裝機(jī)容量為12960MW,同比下降26.5%;累計(jì)安裝風(fēng)電機(jī)組53764臺(tái),裝機(jī)容量為75324.2MW,同比增長(zhǎng)20.8%。風(fēng)力發(fā)電是一個(gè)集計(jì)算機(jī)技術(shù)、空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料科學(xué)等為一體的綜合性學(xué)科技術(shù)。中國有豐富的風(fēng)能資源,因此風(fēng)力發(fā)電在中國有著廣闊的發(fā)展前景,而風(fēng)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(duì)進(jìn)口能源依賴做出巨大的貢獻(xiàn)。展望未來,隨著風(fēng)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電勢(shì)在必行。3.1空氣動(dòng)力學(xué)

3.2風(fēng)力機(jī)原理與結(jié)構(gòu)3.1空氣動(dòng)力學(xué)3.1.1葉片翼型的幾何形狀