《能源科学导论》课程论文.doc

湖南理工学院

风能的开发利用
姓名：曾杰 序号:102 学号:24110400789
单位：湖南理工学院体育学院N1101
摘要：风能是一种清洁，安全，可再生的绿色能源，利用风能对环境无污染，对生态无破坏，环保效益和生态效益良好，对于人类社会可持续发展具有重要意义。现今调整能源结构、减少温室气体排放、缓解环境污染、加强能源安全已成为国内外关注的热点。国家对可再生能源的利用,特别是风能开发利用给予了高度重视。
关键字： 可再生、无污染, 新型可再生能源
The development and utilization of wind energy

Student Name: Zeng Jie Serial Number:102 Student Number:24110400789

Unit:HUNAN INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
Major:Physical education
Class:N1101

Abstracts: Wind energy is a clean, safe, renewable green energy, the use of wind energy on the environment pollution-free, no damage to the ecological, environmental benefits and ecological benefits has important significance for the sustainable development of human society. Today to adjust the energy structure, reduce greenhouse gas emissions, mitigation of environmental pollution, enhance energy security has become the focus of attention at home and abroad. Countries the use of renewable energy, especially wind energy development and utilization, given a high priority.
Keywords: Renewable, no pollution, new renewable energy

1.风能的定义和在世界上被开发利用的现状。
风能是地球表面大量空气流动所产生的动能。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。风能资源决定于风能密度和可利用的风能年累积小时数。风能密度是单位迎风面积可获得的风的功率，与风速的三次方和空气密度成正比关系。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，如美国的加利福尼亚州沿岸和北欧一些国家，中国的东南沿海、内蒙古、新疆和甘肃一带风能资源也很丰富。中国东南沿海及附近岛屿的风能密度可达300瓦／米2（W／m2）以上，3~20米／秒风速年累计超过6000小时 。内陆风能资源最好的区域 ，沿内蒙古至 新疆一带，风能密度也在200~300W／m2，3 ~20米／秒风速年累计5000~6000小时。这些地区适于发展风力发电和风力提水。新疆达坂城风力发电站1992年已装机5500千瓦，是中国最大的风力电站。
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。
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，如带动水泵提水等这种风力发动机的优点是：投资少、工效高、经济耐用。目前，世界上约有一百多万台风力提水机在运转。澳大利亚的许多牧场，都设有这种风力提水机。在很多风力资源丰富的国家，科学家们还利用风力发动机铡草、磨面和加工饲料等。
利用风力发电，以丹麦应用最早，而且使用较普遍。丹麦虽只有500多万人口，却是世界风能发电大国和发电风轮生产大国，世界10大风轮生产厂家有5家在丹麦，世界60%以上的风轮制造厂都在使用丹麦的技术，是名副其实的“风车大国”。
截止到2006年底，世界风力发电总量居前3位的分别是德国、西班牙和美国，三国的风力发电总量占全球风力发电总量的60%。
此外，风力发电还逐渐走进居民住宅。在英国，迎风缓缓转动叶片的微型风能电机正在成为一种新景观。家庭安装微型风能发电设备，不但可以为生活提供电力，节约开支，还有利于环境保护。堪称世界“最环保住宅”就是由英国著名环保组织“地球之友”的发起人马蒂·威廉历时5年建造成的，其住宅的迎风院墙前就矗立着一个扇状涡轮发电机，随着叶片的转动，不时将风能转化为电能。
我国风力资源丰富，可开发利用的风能储量为10亿千瓦。对风能的利用，特别是对我国沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，具有十分重要的意义。
现在，无论是在广阔的草原，还是在杲杲的山岭，我们都会看到一座座能抗风暴袭击而稳定运行的风力发电站。每当大风来临，收集机就会自动调转方向，迎接风的犀利，任凭风力有多大，来势有多猛，它一概取之，转成电能储存起来，为人们提供电力。这样，即使在远离城市的乡村和牧场都可以用上电，过上幸福的生活。
当然，风能的利用也存在一些限制及弊端：
　　1.1风速不稳定,产生的能量大小不稳定
　　1.2风能利用受地理位置限制严重
　　1.3风能的转换效率低
　　1.4风能是新型能源,相应的使用设备也不是很成熟
德意志银行最新发布的研究报告预计，全球风电发展正在进入一个迅速扩张的阶段，风能产业将保持每年20%的增速，到2015年时，该行业总产值将增至目前水平的5倍。
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。
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。
2．风能在我国的资源分布情况；
我国位于亚洲大陆东部，濒临太平洋，季风强盛，内陆还有许多山系，地形复杂，加之青藏高原耸立我国西部，改变了海陆影响所引起的气压分布和大气环流，增加了我国季风的复杂性。冬季风来自西伯利亚和蒙古等中高纬度的内陆，那里空气十分严寒干燥冷空气积累到一定程度，在有利高空环流引导下，就会爆发南下俗称寒潮，在此频频南下的强冷空气控制和影响下，形成寒冷干燥的西北风侵袭我国北方各省（直辖市、自治区）。每年冬季总有多次大幅度降温的强冷空气南下，主要影响我国西北、东北和华北，直到次年春夏之交才消失。 夏季风是来自太平洋的东南风、印度洋和南海的西南风，东南季风影响遍及我国东半壁，西南季风则影响西南各省和南部沿海，但风速远不及东南季风大。热带风暴是太平洋西部和南海热带海洋上形成的空气涡漩，是破坏力极大的海洋风暴，每年夏秋两季频繁侵袭我国，登陆我国南海之滨和东南沿海，热带风暴也能在上海以北登陆，但次数很少。
青藏高原地势高亢开阔，冬季东南部盛行偏南风，东北部多为东北风，其他地区一般为偏西风，夏季大约以唐古拉山为界，以南盛行东南风，以北为东至东北风。 我国幅员辽阔，陆疆总长达2万多公里，还有1800O多公里的海岸线，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 6米／秒以上。一般认为，可将风电场风况分为三类：年平均风速6米／秒以上时为较好；7米／秒以上为好；8米／秒以上为很好。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 6米／秒以上的地区，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 1／1OO，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， 新疆达板城，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。
根据全国气象台部分风能资料的统计和计算，中国风能分区及占全国面积的百分比见下表。 表 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≥3m/s累计小时数(h) >5000 5000～4000 <4000～2000 <2000 年≥6m/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32．26亿千瓦，实际可开发利用量（R’），按总量的 l／ 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 O．785倍〔1米直径风轮面积为 O．52 Xπ= O．785（平方米）〕，故实际可开发量为： R’=O．785R／10=2．53（亿千瓦）。
3．风能开发中的几个关键科学问题。
风能开发的重要性已无可争辩，进行大规模风能开发必须首先解决一系列关键科学问题。
国家气候中心副主任、中国气象局风能太阳能资源评估中心主任罗勇研究员和中国科学院大气物理所研究所研究员胡非在接受《科学时报》采访时，不约而同地强调了这一观点。
那么，风能资源开发究竟面临哪些与大气科学有关的关键性科学问题呢？
3.1首先，是建立风能资源精细化评估模型。
就像开发矿产资源要先找矿一样，开发风能资源就必须先找风，但是风能和矿产资源又不同，不是有了风就一定能开发出风能。必须建立一套有效的科学方法进行风能资源的详查。这些科学方法包括改进和发展国际上已有的风能资源评估理论和方法、建立适合于中国气候和地形特点的风能资源精细化评估模型。
从大气科学的角度来讲，风力发电主要利用的是近地层中风的动能资源（风力发电机轮毂高度一般不超过120米），因此，必须详细了解在中国风机高度范围内（120米以下）的风能资源总储量是多少，哪里是中国风能资源的宏观丰富区。
以往的中国风能资源评估主要采用的是气象台站10米高度上的常规测风资料和少量测风塔资料，受气象台站空间分布密度、测风塔资料序列较短以及尚未建立适应中国季风气候特征和地形特点的精细化评估理论和方法等因素的限制，尚不能准确地给出风机高度上的风能资源总储量以及精细化（水平分辨率达1公里，垂直分辨率达10米；下同）的地区分布特征。因此，要实现中国风能资源的大规模可持续开发利用，必须首先详细了解中国风机高度上的风能资源的具体分布区域。
要在风能资源宏观丰富区内科学指导风电场的微观选址，还需建立适合于中国季风气候特征和地形特点的风电场微观选址模型，才能实现风能资源的精细化评估，其结果才能更好地应用于风电场的设计和建设。
为了进行风能资源的精细化评估，同时也可为风电场的动力学设计和风电量预报提供技术支撑，还需要有风电场和风机尺度的微小尺度数值模式。
3.2再者，是极端气候对风能开发的影响。
2003年13号台风‘杜鹃’、2006年1号台风‘珍珠’和8号台风‘桑美’分别造成了广东汕尾红海湾风电场、南澳风电场和浙江苍南鹤顶山风电场的风机严重损毁。在以前，在设计风电场的时候，对极端天气气候的影响讨论不多，例如东南沿海的台风究竟有多强，会对风电场造成多大的影响。现在这些问题却成为风能资源开发必须首先解决的关键问题，尤其要考虑极端天气或气象灾害的影响，如强沙尘暴、强风、强台风、覆冰、雷击等。
如何根据极端气候环境条件指导风电场建设的宏观布局和重点地区，如何科学评估不同地区风电场建设的气候风险主要是因极端气候环境条件对风电场造成破坏的几率）是目前风能开发中的重要科学问题。例如，热带气旋、龙卷风、爆发性温带气旋、低温、风暴潮、海冰等恶劣气候环境会严重影响风电场的安全运营，其中热带气旋的影响最甚。
比如说，目前，对大气边界层中风机高度范围内的热带气旋风特性仍缺乏深入的了解，不能为沿岸和近海风电场设计提供可靠的空气动力学参数，风电场规划和建设缺乏气候风险分析依据。
在全球气候变化的大背景下，只有在科学认识中国风能资源的过去变化事实及其成因，并对未来可能的变化趋势作出较为准确的预测的基础上，才能实现中国风能资源的大规模可持续开发利用，为风电场的宏观布局和微观选址提供科学依据。如，中国的风能资源过去是如何变化的？未来演变趋势如何？能否可持续地利用？
3.3然后就是风能资源监测和预报系统。
由于风能的广泛利用，越来越多的风电企业需要准确的预报服务。风电企业对风能短期预报的需求是：需要发电量的预报而不是风速的预报；提前一天发布36～48小时内的逐时预报；给出预报可信度；提前几天的中期预报对规划和管理维护十分重要。
现在的天气和气候模式基本上都还不能对风电场尺度的风速分布作出精细的预报。要大规模建设风力发电场必须提高已建风电场的风电量短期预报水平。
由于电网电力调度的需要，风电上网需要估计其可发电量。在这方面，中国现有的风电场主要是根据天气预报结合当地的气候条件开展了一些风电预报工作。2006年6月，中国气象局成立风能太阳能资源评估中心。该中心已开始做一些风电量预报方面的工作，正在和两个风电场合作作一些风电量预报系统的建设和开发。
不过这些还远远不够，目前亟须建立专门服务于风电场风电上网调配的风能资源监测、预报系统。
综上所述：尽管在大规模推广风能建设上有一定的困难，对风能的利用是少之又少，但是一旦我们客服了这些困难，那就能为全世界提供一种清洁能源，解决当前的能源危机。造福当代世界和子孙后代。

参考文献：
1. 内蒙古卓资风能资源评价及开发对策会议报告
2. 中国风能网
3. 全国能源会议结论报告，1998年5月
4. 第二次全国能源会议结论报告，2005年6月
5. 中国可再生能源学会风能专业委员会