风能的利用与发展

新能源与可再生能源论文风能的利用与发展摘要：在自然界中，风是一种可再生、无污染而且储量巨大的能源。随着全球气候变暖和能源危机，各国都在加紧对风力的开发和利用，尽量减少二氧化碳等温室气体的排放，保护我们赖以生存的地球。据估算，全世界的风能总量约1300亿千瓦，中国的风能总量约16亿千瓦。风能资源受地形的影响较大，世界风能资源多集中在沿海和开阔大陆的收缩地带，如中国的东南沿海、内蒙古、新疆和甘肃一带。关键词：可再生无污染储量巨大风力发电[Abstract]innature,windisarenewable,nonpollutingandhugereservesofenergy.Withglobalwarmingandenergycrisis,countriesaresteppingupthedevelopmentandutilizationofwindpowertoreducecarbondioxideandothergreenhousegasemissions,protectoursurvivalonearth.Itisestimatedthatthetotalwindaroundtheworldabout130000000000kilowattsofwindpowerinChina,thetotalamountofabout1600000000kilowatts.Windenergyresourcesweregreatlyinfluencedbythetopographicinfluence,theworldwindenergyresourcescontractionzonemoreconcentratedinthecoastalandopenthemainland,suchasthesoutheastcoastofChina,InnerMongolia,XinjiangandGansuarea.[Keywords]renewableandpollution-freegreatreservesofwindpowergeneration风能资源1.1风能的全球资源与分布地球上的风能资源十分丰富，根据相关资料统计，每年来自外层空间的辐射能为1.5×1018kWh，其中的2.5％即3.8×1016kWh的能量被大气吸收，产生大约4.3×l0l2kWh的风能。据世界能源理事会估计，在地球1.07×108km2陆地面积中有27%的地区年平均风速高于5m/s（距地面10m处）。全球风资源较为丰富的地区主要集中在以下几个区域：全球各个大陆沿海地区、整个欧洲大陆、东亚、中亚以及西亚阿拉伯半岛地区、北非沙哈拉沙漠地区以及南非、澳大利亚及新西兰岛屿、北美特别是美国大陆、南美的南部、中美的加勒比海地区。欧洲欧洲是世界风能利用最发达的地区，其风资源非常丰富。沿海地区是欧洲风资源最为丰富的地区，主要包括英国和冰岛沿海、西班牙、法国、德国和挪威的大西洋沿海，以及波罗的海沿海地区，其年平均风速可达9m/s以上。其次，欧洲的陆上风资源也很丰富。整个欧洲大陆，除了伊比利亚半岛中部、意大利北部、罗马尼亚和保加利亚等部分东南欧地区以及土耳其地区以外（该区域风速较小，在4至5m/s以下），其他大部分地区的风速都较大，基本在6至7m/s以上，其中英国、冰岛、爱尔兰、法国、荷兰、德国、丹麦、挪威南部、波兰以及俄罗斯东部部分等地区都是风资源集中的地区。另外，地中海沿海地区的风速也较大，均在6m/s以上。亚洲亚洲大陆面积广袤，地形复杂，气候多变，风资源也很丰富，其主要分布于以下几个区域：中亚地区（主要哈萨克斯塔及其周边地区）、阿拉伯半岛及其沿海、蒙古高原、南亚次大陆沿海以及亚洲东部及其沿海地区。中亚地区和蒙古高原以草原为主，阿拉伯半岛地处沙漠，这些地区的共同特点是地势平坦，地形简单，故风速较大，大部分地区都在6至7m/s，蕴含的风能十分丰富。亚洲东部及其沿海地区风资源很丰富，其风速均在6至7m/s以上，甚至部分区域的风速甚至达到8到9m/s。但是该地区沿西太平洋的海域较深，而且气候复杂多变，地震台风海啸等自然灾害较多，不利于风能开发。另外，青藏高原虽然风速很大，能达到9m/s，但是由于其地势太高，空地密度太低，反而风功率密度很低，风资源比较贫乏。而俄罗斯沿北冰洋海岸的风速较大，在6m/s左右，但是气温太低，环境太恶劣，无法进行风能开发。非洲非洲风能集中区域主要分为两大块：撒哈拉沙漠及其以北地区以及南部沿海地区。撒哈拉沙漠及其以北地区，由于大部分是沙漠地形，地势平坦开阔，故而其风速也较大，基本在6至7m/s以上。撒哈拉沙漠以南的陆上地区风资源较为贫乏，风速较低，大部分地区均在5m/s以下，部分地区甚至不到3m/s，只有南非陆上风资源较好，其风速能达到7m/s以上。非洲南部沿海风速很大，达到8至9m/s以上，中东部沿海风速也较大，达到6至7m/s，具有较大风资源储量。中北美洲北美洲由于其独特的地理位置，及其开阔平坦的地形特征，其风资源十分丰富，主要分布于北美大陆中东部及其东西部沿海以及加勒比海地区。从图中可以看出，北美大陆风资源分的特点是风速大、分布广泛，其分布范围几乎涵盖了大半个北美大陆，特别是美国中部地区，地处广袤的北美大草原，地势平坦开阔，其年平均风速均在7m/s以上，风资源蕴藏量巨大，开发价值很大。北美洲东西部沿海风速达到9m/s，加勒比海地区岛屿众多，大部分沿海风速均在7m/s以上，风能储量也十分巨大。南美洲南美洲陆上风资源丰富地区主要集中在阿根廷、巴西东南部的高原地区以及安第斯山脉。阿根廷全境均处于风资源丰富区，风速均在6m/s以上，其南部地区的风速甚至达到8至9m/s，而且地势平坦、海拔不高，风能储量极其丰富。巴西东南部的高原地区风速在7m/s以上，安第斯山脉地区海拔很高，其风速达到9m/s以上。南美洲沿海地区风速最大的区域几乎遍布了其整个大陆的东部沿海以及南部沿海，这部分地区的风速普遍达到8至9m/s。其次，其东部沿海的风速也达到了7m/s。澳洲澳洲的风资源蕴藏量极其丰富。整个澳洲大陆几乎就是一个超大型的天然风场，其整个陆地区域的风速均在7m/s以上，而且环绕整个海岸线的沿海地区风速都在8至9m/s。另外，新西兰岛的风资源也很丰富，主要分布于其环岛屿的沿海地区，风速达到8至9m/s。1.2中国的风能资源我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源比较丰富。据国家气象局估算，全国风能密度为100W／m2，风能资源总储量约1.6X105MW,特别是东南沿海及附近岛屿、内蒙古和甘肃走廊、东北、西北、华北和青藏高原等部分地区，每年风速在3m／s以上的时间近4000h左右，一些地区年平均风速可达6～7m／s以上，具有很大的开发利用价值。有关专家根据全国有效风能密度、有效风力出现时间百分率，以及大于等于3m／s和6m／s风速的全年累积小时数，将我国风能资源划分为如下几个区域。1、东南沿海及其岛屿，为我国最大风能资源区。这一地区，有效风能密度大于、等于200W／m2的等值线平行于海岸线，沿海岛屿的风能密度在300W／m2以上，有效风力出现时间百分率达80～90％，大于、等于8m／s的风速全年出现时间约7000～8000h，大于、等于6m／s的风速也有4000h左右。但从这一地区向内陆，则丘陵连绵，冬半年强大冷空气南下，很难长驱直下，夏半年台风在离海岸50km时风速便减少到68％。所以，东南沿海仅在由海岸向内陆几十公里的地方有较大的风能，再向内陆则风能锐减。在不到100km的地带，风能密度降至50W／m2以下，反为全国风能最小区。但在福建的台山、平潭和浙江的南麂、大陈、嵊泗等沿海岛屿上，风能却都很大。其中台山风能密度为534.4W／m2，有效风力出现时间百分率为90％，大于、等于3m／s的风速全年累积出现7905h。换言之，平均每天大于、等于3m／s的风速有21.3h，是我国平地上有记录的风能资源最大的地方之一。2、内蒙古和甘肃北部，为我国次大风能资源区。这一地区，终年在西风带控制之下，而且又是冷空气入侵首当其冲的地方，风能密度为200～300W／m2，有效风力出现时间百分率为70％左右，大于、等于3m／s的风速全年有5000h以上，大于、等于6m／s的风速在2O00h以上，从北向南逐渐减少，但不象东南沿海梯度那么大。风能资源最大的虎勒盖地区，大于、等于3m／S和大于、等于6m／s的风速的累积时数，分别可达7659h和4095h。这一地区的风能密度，虽较东南沿海为小，但其分布范围较广，是我国连成一片的最大风能资源区。3、黑龙江和吉林东部以及辽东半岛沿海，风能也较大。风能密度在200W／m2以上，大于、等于3m／s和6m／s的风速全年累积时数分别为5000～7O00h和3000h。4、青藏高原、三北地区的北部和沿海，为风能较大区。这个地区（除去上述范围），风能密度在150～200W／m2之间，大于、等于3m／s的风速全年累积为4000～5000h，大于、等于6m／s风速全年累积为3000h以上。青藏高原大于、等于3m／s的风速全年累积可达6500h，但由于青藏高原海拔高，空气密度较小，所以风能密度相对较小，在4000m的高度，空气密度大致为地面的67％。也就是说，同样是8m／s的风速，在平地为313．6W／m2，而在4000m的高度却只有209.3W／m2。所以，如果仅按大于、等于3m／s和大于、等于6m／s的风违的出现小时数计算，青藏高原应属于最大区，而实际上这里的风能却远较东南沿海岛屿为小。从三北北部到沿海，几乎连成一片，包围着我国大陆。大陆上的风能可利用区，也基本上同这一地区的界限相一致。5、云贵川，甘肃、陕西南部，河南、湖南西部，福建、广东、广西的山区，以及塔里木盆地，为我国最小风能区。有效风能密度在50W/m2以下，可利用的风力仅有20％左右，大于、等于3m／s的风速全年累积时数在2000h以下，大于、等于6m／s的风速在15Oh以下。6、在4和5地区以外的广大地区，为风能季节利用区。有的在冬、春季可以利用，有的在夏、秋季可以利用。这一地区，风能密度在50～100W／m2之间，可利用风力为30～40％，大于、等于3m／s的风速全年累积在2000～4000h，大于、等于6m／s的风速在1000h左右。2.风能的利用2.1风能的总体利用数千年来，风能技术发展缓慢，也没有引起人们足够的重视。但自1973年世界石油危机以来，在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为新能源的一部分才重新有了长足的发展。风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力，特别是对沿海岛屿、交通不便的边远山区、地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。即使在发达国家，风能作为一种高效清洁的新能源也日益受到重视。美国早在1974年就开始实行联邦风能计划，并于80年代成功地开发了100、200、2000、2500、6200、7200kw的6种风力机组。目前美国已成为世界上风力机装机容量最多的国家。现在世界上最大的新型风力发电机组已在夏威夷岛建成运行，其风力机叶片直径为97.5m，重144t，风轮迎风角的调整和机组的运行都由计算机控制，年发电量达1000万千瓦时。瑞典、荷兰、英国、丹麦、德国、日本、西班牙等国家也根据各自的情况制定了相应的风力发电计划。如丹麦在1978年即建成了日德兰风力发电站，装机容量2000kw，三片风叶的扫掠直径为54m，混凝土塔高58m。德国早在1980年，在易北河口建成了一座风力电站，装机容量为3000kw。英国，英伦三岛濒临海洋，风能十分丰富，政府对风能开发也十分重视，到1990年风力发电已占英国总发电量的2％。在日本，1991年10月轻津海峡青森县的日本最大的风力发电站投入运行，5台风力发电机可为700户家庭提供电力。风能的利用主要是以风能作动力和风力发电两种形式，其中又以风力发电为主。以风能作动力，就是利用风来直接带动各种机械装置。如：风力泵水、风帆助航等。2.2风力发电2