我国风能资源开发条件我国风能资源分布状况 (我国风能资源最丰富的地区)

中国风力资源十分丰富。

根据国家气象局的资料，我国离地10 米高的风能资源总储量约32.26亿千瓦，其中可开发和利用的陆地上风能储量有2.53亿kW，50米高度的风能资源比10米高度多1倍，约为5亿多kW。

近海可开发和利用的风能储量有7.5亿kW。

我国风能资源的分布与天气气候背景有着非常密切的关系，从我国风能资源分布图上可以清楚看出，我国风能资源丰富和较丰富的地区主要分布在两个大带里。

1．三北（东北、华北、西北）地区丰富带。

风能功率密度在200～300瓦/米2以上，有的可达500瓦/米2以上，如阿拉山口、达坂城、辉腾锡勒、锡林浩特的灰腾梁等，可利用的小时数在5000小时以上，有的可达7000小时以上。

这一风能丰富带的形成，主要是由于三北地区处于中高纬度的地理位置有关。

冬季（12-2月）整个亚州大陆完全受蒙古高压控制，其中心位置在蒙古人民共和国的西北部，从高压中不断有小股冷空气南下，进入我国。

同时还有移动性的高压（反气旋）不时的南下，这类高压大致从四条路经侵入我国。

一条是源于俄罗斯的新地岛，经西北利亚及蒙古人民共和国进入我国，由于是西北向称为西北路径；第二条源自冰岛以南洋面，经俄罗斯、哈萨克斯坦，基本上是自西向东进入我国新疆，称为西路经；第三条源自俄罗斯的太梅尔半岛，自北向南经西北利亚、蒙古人民共和国进入我国，称为北路经；第四条源于俄罗斯贝加尔湖的东西伯利亚地区，进入我国东北及华北一带，称为东北路经。

这四条路经除东北路经外，一般都要经过蒙古人民共和国，当经过时蒙古高压得到新的冷高压的补充和加强，这种高压往往可以迅速南下，进入我国。

由于欧亚大陆面积广大，北部地区气温又低，是北半球冷高压活动最频繁的地区，而我国地处欧亚大陆东岸，正是冷高压南下必经之路。

三北地区是冷空入侵我国的前沿，一般在冷高压前锋称为冷锋，在冷锋过境时，在冷锋后面200km附近经常可出现大风就可造成一次6~10级（10.8~24.4m/s）大风。

对风能资源利用来说，就是一次可以有效利用的高质量大风。

从三北地区向南，由于冷空气从源地长途跋涉，到达我国黄河中下游再到长江中下游，地面气温有所升高，使原来寒冷干燥气流性质，逐渐改变为较冷湿润的气流性质，（称为变性）也就是冷空气逐渐的变暖，这时气压差也变小，所以，风速由北向南逐渐的减小。

我国东部处于蒙古高压的东侧和东南侧，所以盛行风向都是偏北风，只视其相对蒙古高压中心的位置不同而实际偏北的角度有所区别。

三北地区多为西北风，秦岭黄河下游以南的广大地区，盛行风向偏于北和东北之间。

春季（3~5月）是由冬季到夏季的过渡季节，由于地面温度不断升高，从4月开始，中、高纬度地区的蒙古高压强度已明显的减弱，而这时印度低压（大陆低压）及其向东北伸展的低压槽，已控制了我国的华南地区，与此同时，太平洋副热带高压也由菲律宾向北逐渐侵入我国华南沿海一带，这几个高、低气压系统的强弱、消长却给我国风能资源有着重要的作用。

在春季这几种气流在我国频繁的交绥。

春季是我国气旋活动最多的季节，特别是我国东北及内蒙一带气旋活动频繁，造成内蒙和东北的大风和沙暴天气。

同样地江南气旋活动也较多，但造成的却是春雨和华南雨季。

这也是三北地区风资源较南方丰富的一个主要的原因。

全国风向已不如冬季风那样稳定少变，但仍以偏北风占优势，但风的偏南分量显著的增加。

夏季（6~8月）东亚地面气压分布开势与冬季完全相反。

这时中、高纬度的蒙古高压向北退缩的已不清楚，相反地印度低压继续发展控制了亚州大陆，为全年最盛的季节。

大平洋副热带高压等时也向北扩展和向大陆西伸。
我国风能资源开发条件
可以说东亚大陆夏季的天气气候变化基本上受这两个环流系统的强弱和相互作用所制约。

随着太平洋副热带高压的西伸北跳，我国东部地区均可受到它的影响，在此高压的西部为东南气流和西南气流带来了丰富的降水，但由于高、低压间压差小，风速不大，夏季是全国全年风速最小的季节。

夏季大陆为热低压、海上为高压，高、低压间的等压线在我国东部几呈南北向分布的型式，所以夏季风盛行偏南风。

秋季（9~11月），是由夏季到冬季的过渡季节，这时印度低压和太平洋高压开始明显衰退，而中高纬度的蒙古高压又开始活跃起来。

由于冬季风来的迅速，且稳定维持，不像春季中夏季风代表冬季风那种来回进退的型式。

此时，我国东南沿海已逐渐受到蒙古高压边缘的影响，华南沿海由夏季的东南风转为东北风。

三北地区秋季已确立了冬季风的形势。

各地多为稳定的偏北风，风速开始增大。

2．沿海及其岛屿地丰富带。

年有效风能功率密度在200瓦/米2以上，将风能功率密度线平行于海岸线，沿海岛屿风能功率密度在500瓦/米2以上如台山、平潭、东山、南鹿、大陈、嵊泗、南澳、马祖、马公、东沙等。

可利用小时数约在7000-8000小时，这一地区特别是东南沿海，由海岸向内陆是丘陵连绵，所以风能丰富地区仅在海岸50km之内，再向内陆不但不是风能丰富区，反而成为全国最小风能区，风能功率密度仅50瓦/米2左右，基本上是风能不能利用的地区。

沿海风能丰富带，其形成的天气气候背景与三北地区基本相同，所不同的是海洋与大陆两种截然不同的物质所组成，二者的辐射与热力学过程都存在着明显的差异。

大气与海洋间的能量交换大不相同。

海洋温度变化慢，具有明显的热隋性，大陆温度变化快，具有明显的热敏感性，冬季海洋较大陆温暖，夏季较大陆凉爽，这种海陆温差的影响，在冬季每当冷空气到达海上时风速增大，再加上海洋表面平滑，摩擦力小，一般风速比大陆增大2-4m/s。

东南沿海又受台湾海峡的影响，每当冷空气南下到达时，由于狭管效应的结果使风速增大，这里是我国风能资源最佳的地区。

在沿海每年夏秋季节都可受到热带气旋的影响，当热带气旋风速达到8级（17.2m/s）以上时，称为台风。

台风是一种直径1000km左右的圆形气旋，中心气压极低，台风中心0-30km范围内是台风眼，台风眼中天气较好，风速很小。

在台风眼外壁天气最为恶劣，最大破坏风速就出现在这个范围内，所以一般只要不是在台风正面直接登陆的地区，风速一般小于10级（26m/s），它的影响平均有800~1000km的直经范围，每当台风登陆后我国沿海可以产生一次大风过程，而风速基本上在风力机切出风速范围之内。

是一次满发电的好机会。

登陆台风每年在我国有11个，而广东每年登陆台风最多为3.5次，海南次之2.1次，台湾1.9次，福建1.6次，广西、浙江、上海、江苏、山东、天津、辽宁合计仅1.7次，由此可见，台风影响的地区由南向北递减、对风能资源来说也是南大北小。

由于台风登陆后中心气压升高极快，再加上东南沿海东北~西南走向的山脉重叠，所以形成的大风仅在距海岸几十公里内。

风能功率密度由300w/m2锐减到100w/m2以下。

综观上述，冬春季的冷空气、夏秋的台风，都能影响到沿海及其岛屿。

相对内陆来说这里形成了我国风能丰富带。

由于台湾海峡的狭管效应的影响，东南沿海及其岛屿是我国风能最佳丰富区。

我国有海岸线多公里，岛屿6000多个，这里是风能大有开发利用的前景的地区。

3．内陆风能丰富地区，在两个风能丰富带之外，风能功率密度一般在100w/m2以下，可以利用小时数3000小时以下。

但是在一些地区由于湖泊和特殊地形的影响，风能也较丰富，如鄱阳湖附近较周围地区风能就大，湖南衡山、安徽的黄山、云南太华山等也较平地风能为大。

但是这些只限于很小范围之内，不像两大带那样大的面积，特别是三北地区面积更大。

青藏高原海拔4000m以上，这里的风速比较大，但空气密度小，如在4000m的空气密度大致为地面的67%，也就是说，同样是8m/s的风速，在平原上风能功率密度为313.6w/m2，而在4000m只为209.9w/m2，而这里年平风速在3~5m/s，所以风能仍属一般地区。

根据全国气象台部风能资料的统计和计算，绘制出中国风能分布和中国风能分区及占全国面积中国风能分区及占全国面积的百分比指标丰富区较丰富区可利用区贫乏区年有效风能密度（W/m2）＞200 200-150 ＜150-50 ＜50年有效风能密度（W/m2）＞5000 5000-4000 ＜4000-2000 ＜2000年≥3m/s累计小时数（h）＞2200 2200-1500 ＜1500-350 ＜350占全国面积的百分比（%） 8 18 50 24太阳辐射的能量到地球表面约有2%转化为风能，风能是地球上自然能源的一部分，我国风能潜力的估算如下：风能理论可开发总量R，全国为32.26亿kW，实际可开发利用量R，按总量的1/10估计，并考虑到风轮实际扫掠面积为计算气流正方形面积的0.785倍（lm直径风轮面积为0.52×π=0.785m2），故实际可开发量为： R = 0.785R/10 = 2.53亿kW。

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大风车转出新希望是什么？

风能作为一次能源，是因空气流做功而提供给人类的一种可利用的能量，简而言之，空气流具有的动能称为风能。

人类利用风能的历史可追溯到公元前中国是世界上最早开发利用风能的国家之一。

中国人民利用风力提水、灌溉、磨面和用风帆推动船舶前进。

但历经数千年，风能技术发展缓慢，没有引起人们足够的重视。

但自1973年世界石油危机以来，常规能源告急。

尤其近几年，随着世界工业经济的发展、人口的剧增、人类欲望的无限上升和生产生活方式的无节制，全球整体呈现经济高速增长、能源消耗持续上升的态势。

大量化石能源的使用直接导致了环境污染越发严重。

尤其是以二氧化碳为主的温室气体排放量急剧上升，造成全球气候变暖、冰川积雪减少、两极冰山融化、海平面明显上升，使沿海地区遭受水灾，从而造成对生态环境的影响。

在此种背景下，如何应对全球气候变暖成为全世界共同关注的议题，并上升成为全人类面临的巨大挑战之一。

风能作为一种可再生清洁能源有着巨大开发潜力，开始得到越来越多的青睐，尤其是对沿海岛屿、交通不便的边远山区、地广人稀的草原牧场，远离电网和近期内电网还难以到达的农村、边疆。

风能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（李莉，2016）。

我国位于亚洲大陆东南部，濒临太平洋西岸，季风强盛。

季风是我国气候的基本特征，如冬季季风在华北长达6个月、在东北长达7个月，东南季风则遍及我国的东半部，全国风力资源的总储量为1.6×106MW。

我国风力发电事业虽起步较晚，但是基于国家政策和资金的支持，其得到了快速的发展。

迄今为止，我国已经在河北张家口、内蒙古、山东荣成、辽宁营口、黑龙江富锦、新疆达坂城、广东南澳和海南等地建成了多个大型风力发电场，并且计划在江苏南通、灌云及盐城等地兴建十亿瓦特（GW）级风电场。

目前，我国在风能的利用和开发上加大了投入力度，使高效清洁的风能利用在我国能源格局中占有应有的地位。

一、风能的成因和特点

风能就是地球表面大量空气流动所产生的动能，是太阳能的一种转化形式。

由于地面各处受太阳辐照后气温变化不同和空气中水蒸气的含量不同，因而引起各地气压的差异，在水平方向高压空气向低压地区流动，即形成风。

风速9～10m/s的5级风，吹到物体表面上的力，每平方米约有0.1kN。

风速20m/s的9级风，吹到物体表面上的力，每平方米可达0.5kN左右。

台风的风速可达50～60m/s，它对每平方米物体表面上的压力可以达到2.0kN以上。

波涛汹涌的海浪是被风激起的，它对海岸的冲击力极大，有时甚至可以高达每平方米200～300kN，最大时甚至可以达到每平方米600kN。

由此可见，风的能量超乎我们想象。

风能不仅能量极大，并且在自然界中所起的作用也很大。

它可以在地表做运输水分的工作，水汽主要是由强大的空气流输送的，从而影响气候，形成雨季和旱季。

风中具有的能量，比人类迄今为止所能控制的能量高很多。

风能与其他能源相比，既有显著的优势，也有一定的局限性。

其特点包括：

（1）蕴量巨大。

据估算，到达地球的太阳能中虽仅有约2%转化为风能，但其总量十分可观，全球风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能约为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量要大10倍。

全世界每年燃烧煤炭得到的能量，还不到风力在同一时间内提供给地球能量的1%。

（3）没有污染，清洁无害。

风能本身属清洁能源，目前成熟的风能利用和转化技术也环保无污染。

（5）不稳定。

气流变化频繁，风的脉动、日变化、季节变化等都十分明显，其波动很大，具有季节性、随机性等特点。

（6）地区差异大。

因地形变化，风力的地区差异非常明显，邻近区域、有利地形下的风力，可能是不利地形下的几倍甚至几十倍。

表4-2　各种能源的能流密度

二、中国的风能资源分布

我国幅员辽阔，陆疆总长达2万多千米，还有1.8万多千米的海岸线，边缘海中有岛屿5000多个，风能资源丰富。

我国现有风电场场址的年平均风速均达到6m/s以上。

一般认为，可将风电场风况分为三类：年平均风速6m/s以上时为较好，7m/s以上为好，8m/s以上为很好。

可按风速频率曲线和机组功率曲线，估算国际标准大气状态下该机组的年发电量。

我国相当于6m/s以上的地区，在全国范围内仅仅限于较少数几个地带。

就内陆而言，大约仅占全国总面积的1/100，主要分布在长江到南澳岛之间的东南沿海及其岛屿，这些地区是我国最大的风能资源区以及风能资源丰富区，包括山东、辽东半岛、黄海之滨，南澳岛以西的南海沿海、海南岛和南海诸岛，内蒙古从阴山山脉以北到大兴安岭以北、新疆达坂城、阿拉山口、河西走廊、松花江下游、张家口北部等地区以及分布各地的高山山口和山顶。

三、风能的利用

从原理上讲，只要是在风的流动中能产生不对称力的物体，都能产生转动、平动或振动，从而获得风能。

最早的风能利用是风帆，目前风能主要利用于以下几个方面。

（一）风力提水

风力提水作为风能利用的主要方式有着悠久的历史，千百年来它在解决我国农业灌排、牧区人畜饮水以及池塘养鱼、沿海滩涂制盐等方面都不失为一种简单实用的技术，特别是在许多电网不及的边远地区和沿海岛屿的推广应用对于节省常规能源、改善生态环境、促进当地经济社会的可持续发展都有重要的现实意义。

早在明代我国方以智著的《物理小识》就记载到：“用风帆六幅，车水灌田，淮阳海皆为之”，描述了当时人们利用风帆驱动水车提水灌田的情景（刘惠敏等，2011）。

根据扬程和流量的不同，可将现代风力提水机组可分为三类（表4-3）：一类是高扬程小流量型，这类机组的风轮直径一般都在6m以下，扬程为20～100m，主要用于提取深井地下水，它是通过曲柄连杆机构把风轮轴的旋转运动变为活塞泵的往复直线运动进行提水作业的；第二类是中扬程大流量型，这类提水机组的风轮直径一般为5～8m，扬程10～20m，流量15～25m3/h，主要用于提取地下水，这类风力提水机一般为现代流线型桨叶，效率较高、性能先进、适用性强，但其造价高于传统式风力提水机；最后一类是低扬程大流量型，这类机组的扬程一般为0.5～3m，流量为50～100m3/h，机组的风轮直径为5～7m，它可以提取河水、湖水或海水等地表水，用于农田排灌、盐场制盐、水产养殖。

风轮轴动力是通过锥齿轮传递给水车或螺旋泵的，一般都采用自动迎风机构调节风轮对风方向，用侧翼—配重调速机构进行自动调速。

表4-3　目前我国常用的几种风力提水机及其性能表（据刘惠敏等，2011）

（二）风帆助航

人类很早就有了利用风能作为船舶推进动力的行为。

公元前，古埃及与古巴比伦已经出现了风帆，而我国远在秦汉时也有了风帆船的记载。

早在15世纪初，著名的明代郑和船队便是大型的帆船船队，到16世纪后期，欧洲以帆为动力的商船和战船的大型化已经很普遍，直到利用螺旋桨为推进器，蒸汽机为发动机出现，古代帆船便逐渐退出历史舞台。

现代风帆和古代风帆有着截然不同的使用原理，首先，古代风帆是以风帆为主要推进动力进行辅助推进，而现代风帆则是以发动机为主要推进动力，以风帆为助推手段进行推进，这样既能利用风帆节能环保的特点，又可以使环境对风帆的限制降到最少。

目前，万吨级别的货船上采用电脑控制的风帆助航，节油率达15%。

（三）风力制热

近年来，人民生活水平日益提高，家庭用能中热能的需要越来越大，尤其是在一些高纬度地区，如欧洲、北美等取暖煮水都耗能较高。

为了解决家庭以及低品位工业热能的需要，风力制热有了较大的发展。

所谓风力制热，就是将风能转换成热能。

用风力制热有以下三种方式：一是风力机发电，再通过电阻丝将电能转换成热能。

虽然电能转换成热能的效率是100%，但是风能转换成电能的效率却很低，因此从能量利用的角度来看，这种方法是不可取的；二是用风力机将风能转换成空气压缩能，再转换成热能，即由风力机带动离心压缩机，对空气进行绝热压缩而放出热能；三是用风力机将风能直接转换成热能（王熙等，2015）。

显然第三种方式制热效率最高，因而应用也最为广泛。

用风力机将风能直接转换成热能的方式很多，最简单实用的就是搅拌液体制热，即风力机带动搅拌器转动，从而使液体变热。

除此之外，还有固体摩擦制热和涡电流法制热等。

（四）风力发电

近年来，风力发电已经逐步成为风能利用的主要形式，各国对风力发电都给予了高度的重视，发展速度极快。

1．风力发电的原理

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（图4-4）。

依据目前的风车技术，大约是3m/s的微风速度，便可以开始发电。

风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或者空气污染。

图4-4　风力发电机

2．风力发电的形式

1）离网应用

风力发电机的离网应用种类繁多，主要分为以下几类：

（1）为蓄电池充电：这种应用大多是指哪些供单一家庭住宅使用的小型风力发电机。

转子直径为3m（功率范围为40～1000W）的风力涡轮机属于此类。

（2）为边远地区提供可靠电力：包括小型、无人值守的风力发电机。

风力发电机通常与蓄电池相连，而且也可以与光电电池或柴油发电机等其他电源联机。

典型的用途包括为海上导航设备和远距离通信设备供电。

（3）给水加热：这种系统多用于私宅。

典型用法是将风力发电机直接与浸没式加热器或电辐射加热器相连。

（4）边远地区的其他使用：包括为乡村供电、为小型电网系统供电，以及为商业性冷藏系统和海水（或苦咸水）淡化设备供电。

在离网式发电机的应用中，占主导地位的是利用风力发电机为蓄电池充电。

这类风力发电机的转子直径通常小于5m，而且其额定功率低于1000W。

2）联网应用

（1）单个风力发电机：这些发电机可为居民、商业、工业或农业提供电能。

其电负荷接近风力发电机的能力，并且也可以与电网相链接。

多数情况下风力发电机安装在一个农场或一组住宅房舍附近。

这些风力发电机的功率一般为10～100kW。

（2）风田：它是将多个风力发电机集中安装、均匀分布并由控制中心集中管理，所发出的电力主要是通过电网输送，而不是专门服务于一个地区。

这些风力发电机的功率一般为50～500kW。

这种分散的联网风力发电机市场受国家能源政策的左右。

荷兰、美国、丹麦和德国一直允许个人将私有风力发电机与电网联网，并允许将多余的电力卖给当地电力部门，现在有向大型化发展的趋势。

3．国内外风力发电的发展现状

我国是世界上风力资源占用率最高的国家，也是世界上最早利用风能的国家之一。

据资料统计，我国10m高度层风能资源总量为3226GW，其中陆上可开采风能总量为253GW，加上海上风力资源，我国可利用风力资源近1000GW，如果风力资源开发率达到60%，仅风能发电一项就可支撑我国目前的全部电力需求。

但我国利用风力发电起步较晚。

和世界上风能发电发达国家（如德国、美国、西班牙等）相比还有很大差距。

至今，我国已经在河北张家口、内蒙古、山东荣成、辽宁营口、黑龙江富锦、新疆达坂城、广东南澳和海南等地建成了多个大型风力发电场，并且计划在江苏南通、灌云及盐城等地兴建十亿瓦特级风电场。

据有关资料显示，到2003年底，全球风能发电装机容量已突破4000×104kW，风能发电占全球电力供应的0.5%。

到2013年底，全球电累计装机容量达到3.18×105MW，在2009-2013年间全球风电市场规模扩大了几乎2×105MW。

然而，2013年新增风电装机3.55×104MW，比2012年的增量下降了约104MW。

2014年4月，全球风电累计装机容量已达到3.654×105MW，同比增长14.9%。

新增装机容量4.73×104MW，新增装机增长率达到34%（朱晓，2014）。

据2003年底的资料显示，欧洲是当时全世界风力发电发展速度最快，同时也是风电装机最多的地区。

2003年底欧洲地区累计风电装机容量为2.93×104MW，约占全球风电总装机容量的73%。

美洲地区至2003年底风电装机容量达690×104kW，占全球风电总装机的17%。

而在2003年的时候，亚洲地区风力发电与美欧相比还比较缓慢，除印度一枝独秀以外，其他国家风电装机容量均很小。

当时风电累计装机容量居前五位（到2003年底）的国家依次是德国（MW）、西班牙（6420MW）、美国（6361MW）、丹麦（3076MW）和印度（2120MW）。

这种局面到2013年底发生了一定的变化，据有关资料显示，2013年年底，中国（不包括台湾地区）新增装机容量.7MW，同比增长24.1%，累计装机容量9142.4×104kW，同比增长21.4%。

新增装机和累计装机两项数据均居世界第一。

我国风电事业虽起步较晚，但是基于国家政策和资金的支持，风力发电得到了快速的发展。

美洲地区的风电发展稳步向前，而欧洲地区陆上风电装机渐入瓶颈，海上风电逐渐成为新的增长点。

在亚洲，除了风能发电迅速发展的中国以外，印度的风电发展也是不容小觑的。

到2013年底，风电累计装机容量居前五位的国家依次变为了中国（MW）、美国（MW）、德国（MW）、西班牙（MW）、印度（MW）（朱晓，2014）。

4．海上风力发电

在风能发电技术不断发展的过程中，世界各国明显存在着从陆上风能发电到海上风能发电的转变（图4-5）。

与陆上风能发电相比，海上风能资源较大，同高度风速海上一般比陆上大20%，发电量高70%，而且海上少有风平浪静，风电机组利用效率较高。

目前，海上风电机组的平均单机容量在3MW左右，最大已达6MW。

同时，海水表面粗糙度低，海平面摩擦力小，因而风切变即风速随高度的变化小，不需要很高的塔架，可降低风电机组成本。

海上风的湍流强度低，海面与海上的空气温差比陆地表面与陆上的空气温差小，并且没有复杂地形对气流的影响，因此作用在风电机组上的疲劳负荷减少，可延长其使用寿命。

陆上风电机组一般设计寿命为20年，海上风电机组设计寿命可达25年或以上。

同时，海上风电不占用陆上土地，对于人口比较集中，陆地面积相对较小、濒临海洋的国家或地区较适合。

海上发电的开发利用不会造成大气污染和产生有害物质，可减少温室效应气体的排放，对环境及景观负面影响小。

另外，海上风电机组受噪声制约小，转速一般比陆上高10%，风力发电机利用效率相应提高5%～6%。

然而，海上风能发电的开发也存在其不足之处，如建设施工和维修技术难度较大，建设成本高、电力远距离输送和并网相对困难等。

总之，海上具有丰富的风能资源，结合当今技术的可行性，海上风力发电将成为风力发电的新方向（张鸿洋，2016）。

图4-5　海上风力发电示意图

5．风力发电面临的机遇与挑战

根据我国风电发展预测，到2020年底全国总装机规模将达到1.2×105MW，到2050年底，全国风电总装机规模将达到5×105MW，风电规模化发展，使各项技术经济指标进一步增强。

风电企业的竞争能力和盈利能力明显增强。

2020年以后化石燃料资源减少，火电成本增加，风电具备市场竞争能力，发展更快。

2030年水电资源也大部分开发完，海上风电进入大规模开发时期，很可能形成东电西送的局面。

风电以其良好的环境效益和逐步降低的发电成本，必将成为21世纪中国的重要电源。

但是我国风力发电的商业化成本仍然较高，如何提高风力发电技术、降低商业开发成本是风力发电面临的重要挑战。

四、风能利用的发展

（一）风能利用存在的弊端

风能虽然是一种可再生的清洁能源，但仍然存在一些不可否认的弊端。

1．污染排放

风力发电机在建造和运行过程中会产生一些污染问题，同时也存在间接排放问题。

不同能源系统在燃料提取、系统建造和运行期间的二氧化碳排放量的大小不同。

在整个运行期间风力发电所排放的二氧化碳总量是极少的，大约仅为燃煤发电系统的1%。

2．噪声问题

风力发电噪声包括机械噪声和空气动力学噪声，其中空气动力学噪声是风速的函数。

分析结果表明，转子直径小于20m的风力发电机，产生的噪声主要是机械噪声；转子直径更大的风力发电机，产生的噪声主要是空气动力学噪声。

噪声问题会影响一些潜在的风力发电机安装区的利用，噪声问题在人口稠密地区显得尤为突出。

3．伤害鸟类

风力发电机的运转对鸟类会造成一定的伤害，当鸟撞击到塔架或者翼片时会导致鸟类死亡，同时风力发电机的运转也妨碍附近鸟类的繁殖和栖居。

所以，鸟类迁徙飞行路线上的区域应限制风能的利用。

4．干扰通信

风力发电机会成为一种妨碍电磁波传播的障碍物。

由于风力发电机的影响，电磁波可被反射、散射和衍射，这就意味着风力发电机会干扰无线电通信。

5．安全问题

尽管风力发电机很少发生安全事故，但是偶尔还是会发生。

这些事故大部分发生在技术人员打算使涡轮机停止运行的时候。

从运行观点上来看，不应该存在这样的事故。

6．影响美观

尽管美观问题不属于重要的问题，但是也是一种制约因素，对那些风景秀丽的地区和人口稠密的地区更是如此。

公众对风力发电机越来越多的风景区感到失望和厌倦。

所以，若想要人们在视觉方面接受风力发电机，不仅可以使用对风力发电机进行整齐排列的方法，而且还可以采用统一尺寸和设计来增加美观程度。

（二）风能的发展前景

当前我国的风电装机容量较大，但在全国电源装机总容量中所占的比例依然很小，风电利用在我国依然有相当大的发展前景。

主要有以下四个方面原因。

1．丰富的自然风能和工业风能资源

根据相关调查研究，目前我国可以加以利用的低空（即10m以内）自然风能资源（包括陆上风能资源和海上风能资源）非常丰富，大约有10×108kW左右。

高空风能资源更为丰富，能够达到20×108kW。

同时，工业风能也有很好的利用前景，工业风能利用较为便捷，在为电力事业做出贡献的同时也能增加企业的效益。

2．社会对清洁能源的需求不断增大

一方面，时代的进步使环境保护观念逐渐深入人心，在能源利用上更加注重清洁性、节能性和可持续性等，对于风电事业的关注越来越多，并开始倾向于使用新型的清洁能源。

另一方面，社会经济的快速发展也带来了用电需求的增大，利用风能发电能够有效缓解电力资源紧张的情况。

3．我国有较好的电网实施条件

东部沿海地区经济较为发达，而且目前已经装有较为完善的高压输电网，在风电建设上难度相对较小，实施较为合理。

针对内陆一些风力资源丰富但经济发展相对落后的地区，国家会加大对风电建设的资金投入和政策支持，大大减小建设难度。

4．风电制造业良好的发展基础

目前，我国在风电建设方面的投入不断加大，风电制造业也得到了很大的发展，能够为风电建设提供相应的建设设备和技术支持。

我国已能够大规模地生产2MW和1.5MW的风电机组，还将不断投入生产3MW和5MW以及更大功率的发电机组。

国际风电产业日益向着一体化、国际化、大型化方向发展，技术上要求很高，风力发电机组要求可靠、寿命周期长，因此零部件的精度、功能要求高。

随着风力发电技术的发展，风电机组的原理和结构也在发生变化，未来的风电机组在向结构简单化、体积减小的方向发展。

在风力发电系统中两个主要部件是风力机和发电机。

风力机向着变桨距调节技术发展、发电机向着变速恒频发电技术发展，这是风力发电技术发展的趋势，也是当今风力发电的核心技术。

今后我国大力发展大型风电机组的重点是：努力掌握大型风力发电机组核心关键技术，包括总体设计、总装技术及关键部件的设计制造技术等，整机技术路线将以目前欧洲国家流行的变桨变速的双馈异步发电型、低速永磁同步发电型为主。

目前，我国生产最多的还有齿轮箱风力发电机组，属于欧洲2000年左右研发的风力发电机。

少数企业虽然初步掌握了直驱永磁技术，但在整个产业链中还没有普及。

从长远利益来看，直驱永磁风力发电机组转换效率高、维护量低、变速范围大，取消了沉重的增速齿轮箱，发电机轴直接连接到风力发电机轴上，转子的转速随风速而改变，其交流电的频率也随之变化，经置于地面的大功率电力电子变换器，将频率不定的交流电整直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出，是未来风电技术的发展方向。

随着煤炭、石油、天然气等常规能源的日益枯竭，环境恶化、全球气候变暖，加之低碳理念的深入人心，风能正以破竹之势发展起来。未来的几十年甚至几百年间，我国应完善风能利用技术，围绕风能利用技术着力培养创新型人才，加快风能的发展步伐，让“大风车”给我们带来更多的希望与惊喜！

第八篇测风位置的风资源分析-（3）风切变详解

在风电领域的探索中，风切变，这个术语指的是大气边界层内风速随垂直高度变化的现象，通过风速廓线图清晰地展现出来（见下图
风切变指数，作为风速变化速率的量化指标，对于风机选型、发电量估算和投资回报率预测至关重要。

它揭示了随着高度增加，风速增长的速率，指数越大，风速随高度上升的幅度越大。

计算风切变指数的方法，是利用多个测量点的风速数据，通过最小二乘法拟合幂律风速廓线，这样可以全面反映风切变特性。

如果有多个高度数据，我们可以直接得到风切变指数；而仅凭两个数据点，可以通过公式（1）计算出风切变指数，进一步利用公式（2）进行风速的垂直外推，预测其他未知高度的风速。

风切变的影响因素风切变的产生，受到动力因素和热力因素的双重影响。

动力因素，如地面粗糙度和地形，起着决定性作用。

比如，城市和森林的密集区域，由于地面摩擦和地形的影响，风切变指数显著增大；相反，开阔水面的风切变较小。

季节和方向的差异也会使风切变指数有所变化。

在动力稳定的条件下，风速随高度变化遵循普朗特经验公式。

地形因素在山地风电场尤为明显，山峰处的风切变通常较小，甚至出现负切变。

当气流穿越山峰时，下层气流加速效应大于上层，形成负切变现象。

而热力因素则在大气稳定和不稳定状态下表现出不同的风切变指数。

在不稳定的大气中，风切变较小；白天随着地表温度升高，风切变趋于稳定。

风切变的应用在风机选型中，风切变是一个关键考虑因素。

在风切变较小的地区，如山地和海上风电场，常规高度的塔筒被选用。

相反，风切变较大的平原地带，如中东部的河南、山东等地，高塔筒的大切变机组被广泛应用，以最大限度利用高空风能资源。

然而，提升轮毂高度并非总是收益大于成本，经济因素也是决定选择的关键。

风切变对风机载荷安全也有直接影响，机位处的风切变指数需控制在设计范围内，超出时可能需要制造商进行安全性评估。

风切变的研究与应用，体现了风电开发中的复杂性和精细化管理需求。

以上内容源于深入研究《NB/T -2018》、《GB/T -2002》等权威标准，以及《风电项目前期技术实务》等专业书籍，揭示了风切变分析的深度和实用性。

更多关于风资源分析的篇章，如风向频率、风能密度分布和测风数据处理，将分别在后续章节中详述。

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