學(xué)習(xí)園地
風(fēng)能(wind energy)地球表面大量空氣流動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能。由于地面各處受太陽(yáng)輻照后氣溫變化不同和空氣中水蒸氣的含量不同，因而引起各地氣壓的差異，在水平方向高壓空氣向低壓地區(qū)流動(dòng)，即形成風(fēng)。風(fēng)能資源決定于風(fēng)能密度和可利用的風(fēng)能年累積小時(shí)數(shù)。風(fēng)能密度是單位迎風(fēng)面積可獲得的風(fēng)的功率，與風(fēng)速的三次方和空氣密度成正比關(guān)系。據(jù)估算，全世界的風(fēng)能總量約1300億千瓦，中國(guó)的風(fēng)能總量約16億千瓦。
簡(jiǎn)介
風(fēng)能是因空氣流做功而提供給人類的一種可利用的能量。空氣流具有的動(dòng)能稱風(fēng)能。空氣流速越高，動(dòng)能越大。人們可以用風(fēng)車(chē)把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作去推動(dòng)發(fā)電機(jī)，以產(chǎn)生電力，方法是透過(guò)傳動(dòng)軸，將轉(zhuǎn)子(由以空氣動(dòng)力推動(dòng)的扇葉組成)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力傳送至發(fā)電機(jī)。到2008年為止，全世界以風(fēng)力產(chǎn)生的電力約有 94.1 百萬(wàn)千瓦，供應(yīng)的電力已超過(guò)全世界用量的1%。風(fēng)能雖然對(duì)大多數(shù)國(guó)家而言還不是主要的能源，但在1999年到2005年之間已經(jīng)成長(zhǎng)了四倍以上。
現(xiàn)代利用渦輪葉片將氣流的機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能而成為發(fā)電機(jī)。在中古與古代則利用風(fēng)車(chē)將蒐集到的機(jī)械能用來(lái)磨碎谷物或抽水。
風(fēng)力被使用在大規(guī)模風(fēng)農(nóng)場(chǎng)為全國(guó)電子?xùn)鸥癫⑶以谛「髯缘臏u輪為提供電在被隔絕的地點(diǎn)。
風(fēng)能量是豐富、近乎無(wú)盡、廣泛分布、干凈與緩和溫室效應(yīng)。 我們把地球表面一定范圍內(nèi)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期測(cè)量，調(diào)查與統(tǒng)計(jì)得出的平均風(fēng)能密度的概況稱該范圍內(nèi)能利用的依據(jù)，通常以能密度線標(biāo)示在地圖上。
人類利用風(fēng)能的歷史可以追溯到西元前，但數(shù)千年來(lái)，風(fēng)能技術(shù)發(fā)展緩慢，沒(méi)有引起人們足夠的重視。但自1973年世界石油危機(jī)以來(lái)，在常規(guī)能源告急和全球生態(tài)環(huán)境惡化的雙重壓力下，風(fēng)能作為新能源的一部分才重新有了長(zhǎng)足的發(fā)展。風(fēng)能作為一種無(wú)污染和可再生的新能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，特別是對(duì)沿海島嶼，交通不便的邊遠(yuǎn)山區(qū)，地廣人稀的草原牧場(chǎng)，以及遠(yuǎn)離電網(wǎng)和近期內(nèi)電網(wǎng)還難以達(dá)到的農(nóng)村、邊疆，作為解決生產(chǎn)和生活能源的一種可靠途徑，有著十分重要的意義。即使在發(fā)達(dá)國(guó)家，風(fēng)能作為一種高效清潔的新能源也日益受到重視，比如：美國(guó)能源部就曾經(jīng)調(diào)查過(guò)，單是德克薩斯州和南達(dá)科他州兩州的風(fēng)能密度就足以供應(yīng)全美國(guó)的用電量。
優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)
風(fēng)能為潔凈的能量來(lái)源。風(fēng)能設(shè)施日趨進(jìn)步，大量生產(chǎn)降低成本，在適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)，風(fēng)力發(fā)電成本已低于發(fā)電機(jī)。風(fēng)能設(shè)施多為不立體化設(shè)施，可保護(hù)陸地和生態(tài)。風(fēng)力發(fā)電是可再生能源，很環(huán)保。
缺點(diǎn)
風(fēng)力發(fā)電在生態(tài)上的問(wèn)題是可能干擾鳥(niǎo)類，如美國(guó)堪薩斯州的松雞在風(fēng)車(chē)出現(xiàn)之后已漸漸消失。目前的解決方案是離岸發(fā)電，離岸發(fā)電價(jià)格較高但效率也高。
在一些地區(qū)、風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性不足：許多地區(qū)的風(fēng)力有間歇性，更糟糕的情況是如臺(tái)灣等地在電力需求較高的夏季及白日、是風(fēng)力較少的時(shí)間；必須等待壓縮空氣等儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展。
風(fēng)力發(fā)電需要大量土地興建風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，才可以生產(chǎn)比較多的能源。
進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)會(huì)發(fā)出龐大的噪音，所以要找一些空曠的地方來(lái)興建。 現(xiàn)在的風(fēng)力發(fā)電還未成熟，還有相當(dāng)發(fā)展空間。
利用歷史
風(fēng)是地球上的一種自然現(xiàn)象，它是由太陽(yáng)輻射熱引起的。太陽(yáng)照射到地球表面，地球表面各處受熱不同，產(chǎn)生溫差，從而引起大氣的對(duì)流運(yùn)動(dòng)形成風(fēng)。據(jù)估計(jì)到達(dá)地球的太陽(yáng)能中雖然只有大約2%轉(zhuǎn)化為風(fēng)能，但其總量仍是十分可觀的。全球的風(fēng)能約為2.74X109MW，其中可利用的風(fēng)能為2X107MW，比地球上可開(kāi)發(fā)利用的水能總量還要大10倍。
人類利用風(fēng)能的歷史可以追溯到公元前。中國(guó)是世界上最早利用風(fēng)能的國(guó)家之一。公元前數(shù)世紀(jì)中國(guó)人民就利用風(fēng)力提水。灌溉、磨面、舂米，用風(fēng)帆推動(dòng)船舶前進(jìn)。到了宋代更是中國(guó)應(yīng) 用風(fēng)車(chē)的全盛時(shí)代，當(dāng)時(shí)流行的垂直軸風(fēng)車(chē)，一直沿用至今。在國(guó)外，公元前2世紀(jì)，古波斯人就利用垂直軸風(fēng)車(chē)碾米。10世紀(jì)伊斯蘭人用風(fēng)車(chē)提水，11世紀(jì)風(fēng)車(chē)在中東已獲得廣泛的 應(yīng)用。13世紀(jì)風(fēng)車(chē)傳至歐洲，14世紀(jì)已成為歐洲不可缺少的原 動(dòng)機(jī)。在荷蘭風(fēng)車(chē)先用于萊茵河三角洲湖地和低濕地的汲水，以后又用于榨油和鋸木。只是由于蒸汽機(jī)的出現(xiàn)，才使歐洲風(fēng)車(chē)數(shù)目急劇下降。
數(shù)千年來(lái)，風(fēng)能技術(shù)發(fā)展緩慢，也沒(méi)有引起人們足夠的重視。但自1973年世界石油危機(jī)以來(lái)，在常規(guī)能源告急和全球生態(tài)環(huán)境惡化的雙重壓力下，風(fēng)能作為新能源的一部分才重新有了長(zhǎng)足的發(fā)展。風(fēng)能作為一種無(wú)污染和可再生的新能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，特別是對(duì)沿海島嶼，交通不便的邊遠(yuǎn)山區(qū)，地廣人稀的草原牧場(chǎng)，以及遠(yuǎn)離電網(wǎng)和近期內(nèi)電網(wǎng)還難以達(dá)到的農(nóng)村、邊疆，作為解決生產(chǎn)和生活能源的一種可靠途徑，有著十分重要的意義。
即使在發(fā)達(dá)國(guó)家，風(fēng)能作為一種高效清潔的新能源也日益受到重視。美國(guó)早在1974年就開(kāi)始實(shí)行聯(lián)邦風(fēng)能計(jì)劃。其內(nèi)容主要是：評(píng)估國(guó)家的風(fēng)能資源；研究風(fēng)能開(kāi)發(fā)中的社會(huì)和環(huán)境問(wèn)題；改進(jìn)風(fēng)力機(jī)的性能，降低造價(jià)；主要研究為農(nóng)業(yè)和其他用戶用的小于100kw的風(fēng)力機(jī)；為電力公司及工業(yè)用戶設(shè)計(jì)的兆瓦級(jí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。美國(guó)已于80年代成功地開(kāi)發(fā)了100、200、2000、2500、6200、7200kw的6種風(fēng)力機(jī)組。目前美國(guó)已成為世界上風(fēng)力機(jī)裝機(jī)容量最多的國(guó)家，超過(guò)2X104MW，每年還以10%的速度增長(zhǎng)?，F(xiàn)在世界上最大的新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已在夏威夷島建成運(yùn)行，其風(fēng)力機(jī)葉片直徑為97.5m，重144t，風(fēng)輪迎風(fēng)角的調(diào)整和機(jī)組的運(yùn)行都由計(jì)算機(jī)控制，年發(fā)電量達(dá)1000萬(wàn)kw·h。根據(jù)美國(guó)能源部的統(tǒng)計(jì)至1990年美國(guó)風(fēng)力發(fā)電已占總發(fā) 電量的1%。 在瑞典、荷蘭、英國(guó)、丹麥、德國(guó)、日本、西班牙，也根據(jù)各自國(guó)家的情況制定了相應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電計(jì)劃。如瑞典1990年風(fēng)力機(jī)的裝機(jī)容量已達(dá)350MW，年發(fā)電10億kw·h。丹麥在1978年即建成了日德蘭風(fēng)力發(fā)電站，裝機(jī)容量2000kw，三片風(fēng)葉的掃掠直徑為54m，混凝土塔高58m，預(yù)計(jì)到2005年電力需求量的10%將來(lái)源于風(fēng)能。德國(guó)1980年就在易北河口建成了一座風(fēng) 力電站，裝機(jī)容量為3000kw，到本世紀(jì)末風(fēng)力發(fā)電也將占總發(fā)電量的8%。英國(guó)，英倫三島瀕臨海洋，風(fēng)能十分豐富，政府對(duì)風(fēng)能開(kāi)發(fā)也十分重視，到1990年風(fēng)力發(fā)電已占英國(guó)總發(fā)電量的2%。在日本，1991年10月輕津海峽青森縣的日本最大的風(fēng)力發(fā)電站投人運(yùn)行，5臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)可為700戶家庭提供電力。中國(guó)位于亞洲大陸東南、瀕臨太平洋[11.89 0.85%]西岸，季風(fēng)強(qiáng)盛。季風(fēng)是中國(guó)氣候的基本特征，如冬季季風(fēng)在華北長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月，東北長(zhǎng)達(dá)7個(gè)月。東南季風(fēng)則遍及中國(guó)的東半壁。根據(jù)國(guó)家氣象局估計(jì)，全國(guó)風(fēng)力資源的總儲(chǔ)量為每年16億kw，近期可開(kāi)發(fā)的約為1.6億kw，內(nèi)蒙古、青海、黑龍江、甘肅等省風(fēng)能儲(chǔ)量居中國(guó)前列，年平均風(fēng)速大于3m／s的天數(shù)在200天以上。
中國(guó)風(fēng)力機(jī)的發(fā)展，在50年代末是各種木結(jié)構(gòu)的布篷式風(fēng)車(chē)，1959年僅江蘇省就有木風(fēng)車(chē)20多萬(wàn)臺(tái)。到60年代中期主要是發(fā)展風(fēng)力提水機(jī)。70年代中期以后風(fēng)能開(kāi)發(fā)利用列入“六五”國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目，得到迅速發(fā)展。進(jìn)入80年代中期以后，中國(guó)先后從丹麥、比利時(shí)、瑞典、美國(guó)、德國(guó)引進(jìn)一批中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。在新疆、內(nèi)蒙古的風(fēng)口及山東、浙江、福建、廣東的島嶼建立了8座示范性風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。1992年裝機(jī)容量已達(dá)8MW。新疆達(dá)坂城的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)裝機(jī)容量已達(dá)3300kw，是全國(guó)目前最大的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。至1990年底全國(guó)風(fēng)力提水的灌溉面積已達(dá)2.58萬(wàn)畝。1997年新增風(fēng)力發(fā)電10萬(wàn)kw。目前中國(guó)已研制出100多種不同型式、不同容量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并初步形成了風(fēng)力機(jī)產(chǎn)業(yè)。盡管如此，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用還相當(dāng)落后，不但發(fā)展速度緩慢而且技術(shù)落后，遠(yuǎn)沒(méi)有形成規(guī)模。在進(jìn)入21世紀(jì)時(shí)，中國(guó)應(yīng)在風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用上加大投入力度，使高效清潔的風(fēng)能能在中國(guó)能源的格局中占有應(yīng)有的地。
中國(guó)資源
中國(guó)10m高度層的風(fēng)能資源總儲(chǔ)量為32.26億kW，其中實(shí)際可開(kāi)發(fā)利用的風(fēng)能資源儲(chǔ)量為2.53億kW。 東南沿海及其附近島嶼是風(fēng)能資源豐富地區(qū)，有效風(fēng)能密度大于或等于200W/m2的等值線平行于海岸線；沿海島嶼有效風(fēng)能密度在300W/m2以上，全年中風(fēng)速大于或等于3m/s的時(shí)數(shù)約為7000～8000h，大于或等于6m/s的時(shí)數(shù)為4000h。 新疆北部、內(nèi)蒙古、甘肅北部也是中國(guó)風(fēng)能資源豐富地區(qū)，有效風(fēng)能密度為200～300W/m2，全年中風(fēng)速大于或等于3m/s的時(shí)數(shù)為5000h以上，全年中風(fēng)速大于或等于6m/s的時(shí)數(shù)為3000h以上。黑龍江、吉林東部、河北北部及遼東半島的風(fēng)能資源也較好，有效風(fēng)能密度在200W/m2以上，全年中風(fēng)速大于和等于3m/s的時(shí)數(shù)為5000h，全年中風(fēng)速大于和等于6m/s的時(shí)數(shù)為3000h。青藏高原北部有效風(fēng)能密度在150～200W/m2之間，全年風(fēng)速大于和等于3m/s的時(shí)數(shù)為4000～5000h，全年風(fēng)速大于和等于6m/s的時(shí)數(shù)為3000h；但青藏高原海拔高、空氣密度小，所以有效風(fēng)能密度也較低。 云南、貴州、四川、甘肅、陜西南部、河南、湖南西部、福建、廣東、廣西的山區(qū)及新疆塔里木盆地和西藏的雅魯藏布江，為風(fēng)能資源貧乏地區(qū)，有效風(fēng)能密度在50W/m2以下，全年中風(fēng)速大于和等于3m/s的時(shí)數(shù)在2000h以下，全年中風(fēng)速大于和等于6m/s的時(shí)數(shù)在150h以下，風(fēng)能潛力很低。
中國(guó)風(fēng)能資源儲(chǔ)量與分布
我國(guó)位于亞洲大陸東部，瀕臨太平洋，季風(fēng)強(qiáng)盛，內(nèi)陸還有許多山系，地形復(fù)雜，加之青藏高原聳立我國(guó)西部，改變了海陸影響所引起的氣壓分布和大氣環(huán)流，增加了我國(guó)季風(fēng)的復(fù)雜性。冬季風(fēng)來(lái)自西伯利亞和蒙古等中高緯度的內(nèi)陸，那里空氣十分嚴(yán)寒干燥冷空氣積累到一定程度，在有利高空環(huán)流引導(dǎo)下，就會(huì)爆發(fā)南下俗稱寒潮，在此頻頻南下的強(qiáng)冷空氣控制和影響下，形成寒冷干燥的西北風(fēng)侵襲我國(guó)北方各省(直轄市、自治區(qū))。每年冬季總有多次大幅度降溫的強(qiáng)冷空氣南下，主要影響我國(guó)西北、東北和華北，直到次年春夏之交才消失。
夏季風(fēng)是來(lái)自太平洋的東南風(fēng)、印度洋和南海的西南風(fēng)，東南季風(fēng)影響遍及我國(guó)東半壁，西南季風(fēng)則影響西南各省和南部沿海，但風(fēng)速遠(yuǎn)不及東南季風(fēng)大。熱帶風(fēng)暴是太平洋西部和南海熱帶海洋上形成的空氣渦漩，是破壞力極大的海洋風(fēng)暴，每年夏秋兩季頻繁侵襲我國(guó)，登陸我國(guó)南海之濱和東南沿海，熱帶風(fēng)暴也能在上海以北登陸，但次數(shù)很少。
青藏高原地勢(shì)高亢開(kāi)闊，冬季東南部盛行偏南風(fēng)，東北部多為東北風(fēng)，其他地區(qū)一般為偏西風(fēng)，夏季大約以唐古拉山為界，以南盛行東南風(fēng)，以北為東至東北風(fēng)。
我國(guó)幅員遼闊，陸疆總長(zhǎng)達(dá)2萬(wàn)多公里，還有18000多公里的海岸線，邊緣海中有島嶼5000多個(gè)，風(fēng)能資源豐富。我國(guó)現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址的年平均風(fēng)速均達(dá)到6米／秒以上。一般認(rèn)為，可將風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)況分為三類：年平均風(fēng)速6米／秒以上時(shí)為較好；7米／秒以上為好；8米／秒以上為很好?？砂达L(fēng)速頻率曲線和機(jī)組功率曲線，估算國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下該機(jī)組的年發(fā)電量。我國(guó)相當(dāng)于6米／秒以上的地區(qū)，在全國(guó)范圍內(nèi)僅僅限于較少數(shù)幾個(gè)地帶。就內(nèi)陸而言，大約僅占全國(guó)總面積的1／100，主要分布在長(zhǎng)江到南澳島之間的東南沿海及其島嶼，這些地區(qū)是我國(guó)最大的風(fēng)能資源區(qū)以及風(fēng)能資源豐富區(qū)，包括山東、遼東半島、黃海之濱，南澳島以西的南海沿海、海南島和南海諸島，內(nèi)蒙古從陰山山脈以北到大興安嶺以北，新疆達(dá)板城，阿拉山口，河西走廊，松花江下游，張家口北部等地區(qū)以及分布各地的高山山口和山頂。
根據(jù)全國(guó)氣象臺(tái)部分風(fēng)能資料的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，中國(guó)風(fēng)能分區(qū)及占全國(guó)面積的百分比。中國(guó)風(fēng)能分區(qū)及占全國(guó)面積的百分比 指標(biāo) 豐富區(qū)較豐富區(qū) 可利用區(qū) 貧乏區(qū) 年有效風(fēng)能密度(W/m2) >200 200～150 <150～50 <50 年≥3m/s累計(jì)小時(shí)數(shù)(h) >5000 5000～4000 <4000～2000 <2000 年≥6m/s累計(jì)小時(shí)數(shù)(h) >2200 2200～1500 <1500～350 <350 占全國(guó)面積的百分比(%) 8 18 50 24 太陽(yáng)輻射的能量到地球表面約有2%轉(zhuǎn)化為風(fēng)能，風(fēng)能是地球上自然能源的一部分，我國(guó)風(fēng)能潛力的估算如下： 風(fēng)能理論可開(kāi)發(fā)總量(R)，全國(guó)為32.26億千瓦，實(shí)際可開(kāi)發(fā)利用量(R’)，按總量的 l／10估計(jì)，并考慮到風(fēng)輪實(shí)際掃掠面積為計(jì)算氣流正方形面積的0.785倍〔1米直徑風(fēng)輪面積為0.52 Xπ= 0.785(平方米)〕，故實(shí)際可開(kāi)發(fā)量為：R’=0.785R／10=2.53(億千瓦)。
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