风能的利用与发展

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] in nature, wind is a renewable, non polluting and huge reserves of energy. With global warming and energy crisis, countries are stepping up the development and utilization of wind power to reduce carbon dioxide and other greenhouse gas emissions, protect our survival on earth. It is estimated that the total wind around the world about 130000000000 kilowatts of wind power in China, the total amount of about 1600000000 kilowatts. Wind energy resources were greatly influenced by the topographic influence, the world wind energy resources contraction zone more concentrated in the coastal and open the mainland, such as the southeast coast of China, Inner Mongolia, Xinjiang and Gansu area.

[Keywords] renewable and pollution-free great reserves of wind power generation

风能资源

欧洲 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1.07×108km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

亚洲

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。

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

2

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。

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8 m／s的风速全年出现时间约7000～8000h，大于、等于 6 m／s的风速也有4000 h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3 m／s的风速全年累积出现7905h。换言之，平均每天大于、等于3 m／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3 m／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3 m／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3 m／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3 m／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3 m／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6 m／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

2.2.1风力发电原理

是将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。风力发电利用的是自然能源。相对柴油发电要好的多。但是若应急来用的话，还是不如柴油发电机。风力发电可视为备用电源，但是却可以长期利用。 风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。 风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。 风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；我国也在西部地区大力提倡。小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发电机+充电器+数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。 风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。 机械连接与功率传递水平轴风机桨叶通过齿轮箱及其高速轴与万能弹性联轴节相连,将转矩传递到发电机的传动轴,此联轴节应按具有很好的吸收阻尼和震动的特性，表现为吸收适量的径向、轴向和一定角度的偏移，并且联轴器可阻止机械装置的过载。另一种为直驱型风机桨叶不通过齿轮箱直接与电机相连风机电机类型。

2.2.2风力发电的利用 一般说来，三级风就有利用的价值。但从经济合理的角度出发，风速大于每秒4米才适宜于发电。据测定，一台55千瓦的风力发电机组，当风速为每秒9.5米时，机组的输出功率为55千瓦；当风速每秒8米时，功率为38千瓦；风速每秒6米时，只有16千瓦；而风速每秒5米时，仅为9.5千瓦。可见风力愈大，经济效益也愈大。 在我国，现在已有不少成功的中、小型风力发电装置在运转。 我国的风力资源极

为丰富，绝大多数地区的平均风速都在每秒3米以上，特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿，平均风速更大；有的地方，一年三分之一以上的时间都是大风天。在这些地区，发展风力发电是很有前途的。 使用风力发电机，就是源源不断地把风能变成我们家庭使用的标准市电，其节约的程度是明显的，一个家庭一年的用电只需20元电瓶液的代价。而现在的风力发电机比几年前的性能有很大改进，以前只是在少数边远地区使用，风力发电机接一个15W的灯泡直接用电，一明一暗并会经常损坏灯泡。而现在由于技术进步，采用先进的充电器、逆变器，风力发电成为有一定科技含量的小系统，并能在一定条件下代替正常的市电。山区可以借此系统做一个常年不花钱的路灯；高速公路可用它做夜晚的路标灯；山区的孩子可以在日光灯下晚自习；城市小高层楼顶也可用风力电机，这不但节约而且是真正绿色电源。家庭用风力发电机，不但可以防止停电，而且还能增加生活情趣。在旅游景区、边防、学校、部队乃至落后的山区，风力发电机正在成为人们的采购热点。无线电爱好者可用自己的技术在风力发电方面为山区人民服务，使人们看电视及照明用电与城市同步，也能使自己劳动致富。 3.风能资源的发展前景

从目前的技术成熟度和经济可行性来看，风能最具竞争力。从中期来看，全球风能产业的前景相当乐观，各国政府不断出台的可再生能源鼓励政策，将为该产业未来几年的迅速发展提供巨大动力。 根据预计，未来几年亚洲和美洲将成为最具增长潜力的地区。中国的风电装机容量将实现每年30%的高速增长，印度风能也将保持每年23%的增长速度。印度鼓励大型企业进行投资发展风电，并实施优惠政策激励风能制造基地，目前印度已经成为世界第5大风电生产国。而在美国，随着新能源政策的出台，风能产业每年将实现25%的超常发展。在欧洲，德国的风电发展处于领先地位，其中风电设备制造业已经取

代汽车制造业和造船业。在近期德国制定的风电发展长远规划中指出，到2025年风电要实现占电力总用量的25%，到2050年实现占总用量50%的目标。

而一直以来在风能领域处于领先地位的欧洲国家增长速度将放慢，预计在2015年前将保持每年15%的增长速度。其中最早发展风能的国家如德国、丹麦等陆上风电场建设基本趋于饱和，下一步主要发展方向是海上风电场和设备更新。英国、法国等国仍有较大潜力，增长速度将高于15%的平均水平。 目前，德国仍然是全球风电技术最为先进的国家。德国风电装机容量占全球的28%，而德国风电设备生产总额占到全球市场的37%。在国内市场逐渐饱和的情况下，出口已成为德国风电设备公司的主要增长点。

德国政府将通过价格补贴等手段支持该行业通过技术创新保持领头羊地位。今年，德国将再次修订《可再生能源法》，将海上风电场入网补贴价格从每千瓦时9.1欧分提高到14欧分。 在中国，2006年国家发改委会、科技部、财政部等8部门联合出台了《“十一五”十大重点节能工程实施意见》。依据十项节能重点工程的标准以及政府支持环保节能产业的政策导向，未来工业设备节能更新改造、建筑节能、节油及石油替代以及可再生能源这几大节能领域将获得快速发展。 目前，中国市场最热的可再生能源，比如风能、太阳能等产业。风能资源则更具有可再生、永不枯竭、无污染等特点，综合社会效益高。而且，风电技术开发最成熟、成本最低廉。根据“十一五”国家风电发展规划，2010年全国风电装机容量达到500万千瓦，2020年全国风电装机容量达到3000万千瓦。而2006年底，全国已建成和在建的约91个风电场，装机总容量仅260万千瓦。可见，风机市场前景诱人，发展空间广阔。 参考文献：

1、http://www.kepu.net.cn/gb/technology/new_energy/web/a4_n18_nn123.html 2、http://www.vortex.es/ 3、《中国能源》1999年09期 4、钱伯章 《风能技术与应用》

5、郝毓灵 吴新敏 《新疆环境保护》 2001 第1期