中国丰富的风能资源

2.1.3.1　影响我国风能资源的因素

1.大气环流对中国风能分布的影响

东南沿海及东海、南海诸岛,因受台风的影响,最大年平均风速在5m/s以上。东南沿海有效风能密度不小于200W/m2,有效风能出现时间百分率可达80%～90%。风速不小于3m/s的风全年出现累积小时数为7000～8000h；风速不小于6m/s的风有4000h。岛屿上的有效风能密度为200～500W/m2,风能可以集中利用。福建的台山、东山,台湾的澎湖湾等,有效风能密度都在500W/m2左右,风速不小于3m/s的风累积为8000h,换言之,平均每天可以有21h以上的风速不小于3m/s。但在一些大岛,如台湾和海南,又具有独特的风能分布特点。台湾风能南北两端大,中间小；海南西部大于东部。

2.海陆和水体对风能分布的影响

中国沿海风能都比内陆大,湖泊都比周围湖滨大。这是由于气流流经海面或湖面摩擦力较小,风速较大。由沿海向内陆或由湖面向湖滨,动能很快消耗,风速急剧减小,风速不小于3m/s和风速不小于6m/s的风的全年累积小时数的等值线不但平行于海岸线和湖岸线,而且数值相差很大。福建海滨是中国风能分布丰富地带,而距海50km处,风能反变为贫乏地带。若台风登陆时在海岸上的风速为100%,而在离海岸50km处,台风风速为海岸风速的68%左右。

3.地形对风能分布的影响

地形影响风速,可分山脉、海拔高度和中小地形等几个方面。山脉对风能的影响。气流在运行中遇到地形阻碍的影响,不但会改变大形势下的风速,还会改变方向。其变化的特点与地形形状有密切关系。一般范围较大的地形,对气流有屏障作用,使气流出现爬绕运动。所以在天山、祁连山、秦岭、大小兴安岭、太行山和武夷山等的风能密度线和可利用小时数曲线大都平行于这些山脉,特别明显的是东南沿海的几条北东—南西走向的山脉,如武夷山等。所谓华夏式山脉,山的迎风面风能是丰富的,风能密度为200W/m2,风速不小于3m/s的风出现的小时数约为7000～8000h。而在山区及其背风面风能密度在50W/m2以下,风速不小于3m/s的风出现的小时数约为1000～2000h,风能是不能利用的。四川盆地和塔里木盆地由于天山和秦岭山脉的阻挡为风能不能利用区。雅鲁藏布江河谷,也是由于喜马拉雅山脉和冈底斯山的屏障,风能很小,不值得利用。

4.海拔高度对风能的影响

由于地面摩擦消耗运动气流的能量,在山地风速是随着海拔高度增加而增加的。事实上,在复杂山地,很难分清地形和海拔高度的影响,二者往往交织在一起,如北京市区和八达岭风力发电试验站同时观测的平均风速分别2.8m/s和5.8m/s,相差3m/s。后者风大,一是由于它位于燕山山脉的一个南北向的低地,二是由于它海拔比北京高500多m,是二者共同作用的结果。青藏高原海拔在4000m以上,所以这里的风速比周围大,但其有效风能密度却较小,在150W/m2左右。这是由于青藏高原海拔高,但空气密度较小,因此风能也小,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,在平地海拔500m以下为313.6W/m2,而在4000m只有209.9W/m2。

5.中小地形的影响

蔽风地形风速减小,狭管地形风速增大。即使在平原上的河谷,风能也较周围地区大。

海峡也是一种狭管地形,与盛行风方向一致时,风速较大,如台湾海峡中的澎湖列岛,年平均风速为6.5m/s。

局地风对风能的影响是不可低估的。在一个小山丘前,气流受阻,强迫抬升,所以在山顶流线密集,风速加强。山的背风面,由于流线辐散,风速减小。有时气流过一个障碍,如小山包等,其产生的影响在下方5～10km的范围。有些地方风是由于地面粗糙度的变化形成的。

2.1.3.2　我国风能资源特点

我国风能资源分布有以下特点。

1.季节性的变化

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(自治区、直辖市)。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会消失。

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部,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旋,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。

2.地域性的变化

中国地域辽阔,风能资源比较丰富。特别是东南沿海及其附近岛屿,不仅风能密度大,年平均风速也高,发展风能的潜力很大。在内陆地区,从东北、内蒙古,到甘肃走廊及新疆一带的广阔地区,风能资源也很好。华北和青藏高原有些地方也能利用风能。

东南沿海的风能密度一般在200W/m2,有些岛屿达300W/m2以上,年平均风速7m/s左右,全年有效风时6000多h。内蒙古和西北地区的风能密度也在150～200W/m2,年平均风速6m/s左右,全年有效风时5000～6000h。青藏高原的北部和中部,风能密度也有150W/m2,全年3m/s以上风速出现时间5000h以上,有的可达6500h。

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,冬季大约以唐古拉山为界,以南盛行东南风,以北为东至东南风。

我国幅员辽阔,陆疆总长达2万多km,还有18000多km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%,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。

中国沿海水深在2～10m的海域面积很大,而且风能资源好,靠近我国东部主要用电负荷区域,适宜建设海上风电场。

我国风能丰富的地区主要分布在西北、华北和东北的草原或戈壁,以及东部和东南沿海及岛屿,这些地区一般都缺少煤炭等常规能源。在时间上,冬春季风大、降雨量少,夏季风小、降雨量大。与水电的枯水期和丰水期有较好的互补性(表2.8)。

表2.8　风能资源比较丰富的省区

2.1.3.3　我国风能资源区划

风能分布具有明显的地域性的规律,这种规律反映了大型天气系统的活动和地形作用的综合影响。而划分风能区划的目的,是为了了解各地风能资源的差异,以便合理地开发利用。

1.区划标准

第一级区划选用能反映风能资源多寡的指标,即利用年有效风能密度和年风速不小于3m/s风的年累积小时数的多少将全国分为4个区,见表2.9。

表2.9　风能区划标准

第二级区划指标,选用一年四季中各季风能大小和有效风速出现的小时数。利用1961—1970年间每日4次定时观测的风速资料,先将483个站风速大于等于3m/s的有效风速小时数化成年变化曲线。然后,将变化趋势一致的归在一起,作为一个区。再将各季有效风速累积小时数相加,按大小次序排列。这里,春季指3—5月,夏季指6—8月,秋季指9—11月,冬季指12月、1月、2月。分别以1、2、3、4表示春、夏、秋、冬四季。如果春季有效风速(包括有效风能)出现小时数最多,冬季次多,则用“14”表示；如果秋季最多,夏季次多,则用“32”表示；其余依此类推。

第三级区划指标,风力机最大设计风速一般取当地最大风速。在此风速下,要求风力机能抵抗垂直于风的平面上所受到的压强,使风力机保持稳定、安全,不致产生倾斜或被破坏。由于风力机寿命一般为20～30年,为了安全,取30年一遇的最大风速值作为最大设计风速。按照风速,将全国划分为4级：风速在35～40m/s以上(瞬时风速为50～60m/s),为特强最大设计速,称特强压型；风速30～35m/s(顺时风速为40～50m/s),为强设计风速,称强压型；风速2～30m/s(瞬时风速为30～40m/s),为中等最大设计风速,称中压型；风速25m/s以下,为弱最大设计风速,称弱压型。4个等级分别以字母a、b、c、d表示。

一般,按照一级指标划分,就可以粗略地了解风能区划的大的分布趋势。

2.中国风能分区及各区气候特征

按表2.9的指标将全国划分为风能丰富区、风能较丰富区、风能可利用区、风能贫乏区共4个区。

(1)风能丰富区。

1)东南沿海、山东半岛和辽东半岛沿海区这一地区由于面临海洋,风力较大,越向内陆,风速越小。在我国,除了高山气象站——长白山、天池、五台山、贺兰山等外,全国气象站风速不小于7m/s的地方,都集中在东南沿海。平潭年平均风速为8.7m/s,是全国平地上最大的。该区有效风能密度在200W/m2以上,海岛上可达300W/m2以上,其中平潭最大。风速大于13m/s的小时数全年有6000h以上,风速不小于6m/s的小时数在3500h以上。而平潭分别可达7939h和6395h。也就是说,风速不小于3m/s的风每天平均有21.75h。这里的风能潜力是十分可观的。这一区,风能大的原因,主要是由于海面比起伏不平的陆地表面摩擦阻力小。在气压梯度力相同的条件下,海面上风速比陆地要大。风能的季节分配,山东、辽东半岛春季最大,冬季次之,这里30年一遇10min平均最大风速为35～40m/s,瞬时风速可达50～60m/s,为全国最大风速的最大区域。而东南沿海、台湾及南海诸岛都是秋季风能最大,冬季次之,这与秋季台风活动频繁有关。

2)三北地区(西北、华北、东北)本区是内陆风能资源最好的区域,年平均风能密度在200W/m2以上,个别地区可达300W/m2。风速不小于3m/s的时间1年有5000～6000h,风速不小于6m/s的时间1年在3000h以上,个别地区在4000h以上。本区地面受蒙古高压控制,每次冷空气南下都可造成较强风力,而且地面平坦,风速梯度较小,春季风能最大,冬季次之。30年一遇10min平均最大风速可达30～35m/s,瞬时风速为45～50m/s,本区地域远较沿海为广。

3)松花江下游区本区风能密度在200W/m2以上,风速不小于3m/s的时间有5000h,每年风速不小于6～20m/s的时间在3000h以上。本区的大风多数是由东北低压造成的。东北低压春季最易发展,秋季次之,所以春季风力最大,秋季次之。同时,这一地区又处于峡谷中,北为小兴安岭,南有长白山,这一区正好在喇叭口处,风速加大。30年一遇10min平均最大风速25～30m/s,瞬时风速为40～50m/s。

(2)风能较丰富区。

1)东南沿海内陆和渤海沿海区。从汕头沿海岸向北,沿东南沿海经江苏、山东、辽宁沿海到东北丹东。实际上是丰富区向内陆的扩展。这一区的风能密度为150～200W/m2,风速不小于3m/s的时间有4000～5000h,风速不小于6m/s的有2000～3500h。长江口以南,大致秋季风能大,冬季次之；长江口以北,大致春季风能大,冬季次之。30年一遇10min平均最大风速为30m/s左右,瞬时风速为50m/s。

2)三北的南部区。从东北图们江口区向西,沿燕山北麓经河套穿河西走廊,过天山到新疆阿拉山口南,横穿三北中北部。这一区的风能密度为150～200W/m2,风速不小于3m/s的时间有4000～4500h。这一区的东部也是丰富区向南向东扩展的地区。在西部北疆是冷空气的通道,风速较大也形成了风能较丰富区。30年一遇10min平均最大风速为30～32m/s,瞬时风速为45～50m/s。(www.xing528.com)

3)青藏高原区。本区的风能密度在150W/m2以上,个别地区可达180W/m2。而3～20m/s的风速出现时间却比较多,一般在5000h以上。所以,若不考虑风能密度,仅以风速不小于3m/s出现时间来进行区划,那么该地区应为风能丰富区。但是,由于这里海拔在3000～5000m以上,空气密度较小。在风速相同的情况下,这里风能较海拔低的地区为小,若风速同样是8m/s,上海的风能密度为313.3W/m2,而呼和浩特为286.0W/m2,两地高度相差1000m,风能密度则相差10%。因此,计算青藏高原的风能时,必须考虑空气密度的影响,否则计算值会大大地偏高。青藏高原海拔较高,离高空西风带较近,春季随着地面增热,对流加强,上下冷热空气交换,使西风急流动量下传,风力变大,故这一地区春季风能最大,夏季次之。这是由于此区里夏季转为东风急流控制,西南季风爆发,雨季来临,但由于热力作用强大,对流活动频繁且旺盛,所以风力也较大。30年一遇10min平均最大风速为30m/s,虽然这里极端风速可达11～12级,但由于空气密度小,风压却只能相当于平原的10级。

(3)风能可利用区。

1)两广沿海区。这一区在南岭以南,包括福建海岸向内陆50～100km的地带。风能密度为50～100W/m2,每年风速不小于3m/s的时间为2000～4000h,基本上从东向西逐渐减小。本区位于大陆的南端,但冬季仍有强大冷空气南下,其冷风可越过本区到达南海,使本区风力增大。所以,本区的冬季风力最大；秋季受台风的影响,风力次之。由广东沿海的阳江以西沿海,包括雷州半岛,春季风能最大。这是由于冷空气在春季被南岭山地阻挡,一股股冷空气沿漓江河谷南下,使这一地区的春季风力变大。秋季,台风对这里虽有影响,但台风西行路径仅占所有台风的19%,台风影响不如冬季冷空气影响的次数多,故本区的冬季风能较秋季为大。30年一遇10min平均风速可达37m/s,瞬时风速可达58m/s。

2)大、小兴安岭山地区。大、小兴安岭山地的风能密度在100W/m2左右,每年风速不小于3m/s的时间为3000～4000h。冷空气只有偏北时才能影响到这里,本区的风力主要受东北低压影响较大,故春、秋季风能大。30年一遇最大10min平均风速为30～32m/s,瞬时风速可达45～50m/s。

3)中部地区。东北长白山开始向西过华北平原,经西北到中国最西端,贯穿中国东西的广大地区。由于本区有风能欠缺区(即以四川为中心)在中间隔开,这一区的形状与希腊字母π很相像,它约占全国面积50%。在π字形的前一半,包括西北各省的一部分、川西和青藏高原的东部和南部,风能密度为100～150W/m2,一年风速不小于3m/s的时间有4000h左右。这一区春季风能最大,夏季次之。π字形的后一半分布在黄河和长江中下游。这一地区风力主要是冷空气南下造成的,每当冷空气过境,风速明显加大,所以这一地区的春、冬季节风能大。由于冷空气南移的过程中,地面气温较高,冷空气很快变性分裂,很少有明显的冷空气到达长江以南。但这时台风活跃,所以这里秋季风能相对较大,春季次之。30年一遇最大10min平均风速为25m/s左右,瞬时风速可达40m/s。

(4)风能贫乏区。

1)川云贵和南岭山地区。本区以四川为中心,西为青藏高原,北为秦岭,南为大娄山,东面为巫山和武陵山等。这一地区冬半年处于高空西风带“死水区”内,四周的高山,使冷空气很难入侵。夏半年台风也很难影响到这里,所以,这一地区为全国最小风能区,风能密度在50W/m2以下。成都仅为35W/m2左右。风速不小于3m/s的时间在2000h以下,成都仅有400h。南岭山地风能欠缺,由于春、秋季冷空气南下,受到南岭阻挡,往往停留在这里,冬季弱空气到此也形成南岭准静止风,故风力较小。南岭北侧受冷空气影响相对比较明显,所以冬、春季风力最大。南岭南侧多为台风影响,故风力最大的在冬、秋两季。30年一遇10min平均最大风速20～25m/s,瞬时风速可达30～38m/s。

2)雅鲁藏布江和昌都。雅鲁藏布江河谷两侧为高山。昌都地区,也在横断山脉河谷中。这两地区由于山脉屏障,冷暖空气都很难侵入,所以风力很小。有效风能密度在50W/m2以下,风速不小于3m/s的时间在2000h以下。雅鲁藏布江风能是春季最大,冬季次之,而昌都是春季最大,夏季次之。30年一遇10min平均最大风速25m/s,瞬时风速为38m/s。

3)塔里木盆地西部区。本区四面亦为高山环抱,冷空气偶尔越过天山,但为数不多,所以风力较小。塔里木盆地东部由于是C字的开口,冷空气可以从东灌入,风力较大。

根据风能分区原则,可将全国风能资源具体划分为以下4个大区、30个小区,各区的地理位置如下。

Ⅰ区：风能富丰区。

ⅠA34a——东南沿海及台湾岛屿和南海群岛秋冬特强压型。

ⅠA21b——海南岛南部夏春强压型。

ⅠA14b——山东、辽东沿海春冬强压型。

ⅠB12b——内蒙古北部西端和锡林郭勒盟春夏强压型。

ⅠB14b——内蒙古阴山到大兴安岭以北春冬强压型。

ⅠC13b——松花江下游春秋强中压型。

Ⅱ区：风能较丰富区。

ⅡD34b——东南沿海(离海岸20～50km)秋冬强压型。

ⅡD14a——海南岛东部春冬特强压型。

ⅡD14b——渤海沿海春冬强压型。

ⅡD34a——台湾东部秋冬特强压型。

ⅡE13b——东北平原春秋强压型。

ⅡE14b——内蒙古南部春冬强压型。

ⅡE12b——河西走廊及其邻近春夏强压型。

ⅡE21b——新疆北部夏春强压型。

ⅡF12b——青藏高原春夏强压型。

Ⅲ区：风能可利用区。

ⅢG43b——福建沿海(离海岸50～100km)和广东沿海冬秋强压型。

ⅢG14a——广西沿海及雷州牛岛春冬特强压型。

ⅢH13b——大、小兴安岭山地春秋强压型。

ⅢI12C——辽河流域和苏北春夏中压型。

Ⅲ114c——黄河、长江中下游春冬中压型。

Ⅲ131c——湖南、湖北和江西秋春中压型。

Ⅲ112c——西北五省的一部分以及青藏的东部和南部春夏中压型。

Ⅲ114c——川西南和云贵的北部春冬中压型。

Ⅳ区：风能贫乏区。

ⅣJ12d——四川、甘南、陕西、鄂西、湘西和贵北春夏弱压型。

ⅣJ14d——南岭山地以北冬春弱压型。

ⅣJ43d——南岭山地以南冬秋弱压型。

ⅣJ14L——云贵南部春冬弱压型。

IVKl4d——雅鲁藏布江河谷春冬弱压型。

ⅣK12c——昌都地区春夏中压型。

ⅣL12c——塔里木盆地西部春夏中压型。