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 百萬千瓦，供應(yīng)的電力已超過全世界用量的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)車將蒐集到的機(jī)械能用來磨碎谷物或抽水。
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，風(fēng)能技術(shù)發(fā)展緩慢，沒有引起人們足夠的重視。但自1973年世界石油危機(jī)以來，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)能作為一種無污染和可再生的新能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿Γ貏e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，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)上的問題是可能干擾鳥類，如美國(guó)堪薩斯州的松雞在風(fēng)車出現(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，它是由太陽輻射熱引起的。太陽照射到地球表面，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)車的全盛時(shí)代，當(dāng)時(shí)流行的垂直軸風(fēng)車，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)車碾米。10世紀(jì)伊斯蘭人用風(fēng)車提水，11世紀(jì)風(fēng)車在中東已獲得廣泛的 應(yīng)用。13世紀(jì)風(fēng)車傳至歐洲，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)車數(shù)目急劇下降。
數(shù)千年來，風(fēng)能技術(shù)發(fā)展緩慢，也沒有引起人們足夠的重視。但自1973年世界石油危機(jī)以來，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)能作為一種無污染和可再生的新能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿Γ貏e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)能開發(fā)中的社會(huì)和環(huán)境問題；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2X104MW，每年還以10%的速度增長(zhǎng)。現(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，1959年僅江蘇省就有木風(fēng)車20多萬臺(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)2.58萬畝。1997年新增風(fēng)力發(fā)電10萬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。可按風(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)能理論可開發(fā)總量(R)，全國(guó)為32.26億千瓦，實(shí)際可開發(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)際可開發(fā)量為：R’=0.785R／10=2.53(億千瓦)。
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