探究风能资源及其在能源领域的潜力

（1）风能资源

1）有关风的知识。对人类来说，风是最熟悉的自然现象，它是由太阳辐射热引起的。太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不同产生温差，从而引起大气的对流运动形成风。

由于地球自转轴与围绕太阳的公转轴之间存在66.5°的夹角，因此对地球上不同地点，太阳照射角度是不同的，而且对同一地点一年365天中这个角度也是变化的。地球上某处所接受的太阳辐射能与该地点太阳照射角的正弦成正比。地球南北极接受太阳辐射能少，所以温度低，气压高；而赤道接受热量多，温度高，气压低。另外，地球又绕自转轴每24h旋转一周，温度、气压昼夜变化。这样由于地球表面各处的温度、气压变化，气流就会从压力高处向压力低处运动，而形成不同方向的风，并伴随不同的气象变化。

有两个描述风的重要参数，这就是风向和风速。风向是指风吹来的方向，如果风是从北方吹来就称为北风。风速是表示风移动的速度，即单位时间内空气流动所经过的距离。显然风向和风速这两个参数都是在变化的。

风随时间的变化，包括每日的变化和季节的变化。通常一天之中风的强弱在某种程度上可以看做是周期性的。如地面上夜间风弱，白天风强；高空中正相反是夜里风强，白天风弱。这个逆转的临界高度约为100～150m。

由于季节的变化，太阳和地球的相对位置也发生变化，使地球上存在季节性的温差，因此风向和风的强弱也会发生季节性的变化。我国大部分地区风的季节性变化情况是春季最强，冬季次之，夏季最弱。当然也有部分地区例外，如沿海温州地区，夏季季风最强，春季季风最弱。

风还会随高度而变化。从空气运动的角度，通常将不同高度的大气层分为一个区域。离地2m以内的区域称为底层；2～100m的区域称为下部摩擦层，二者总称为地面境界层；100～1000m的区段称为上部摩擦层，以上三区域总称为摩擦层。摩擦层之上是自由大气。

地面境界层内空气流动受涡流、黏性和地面植物及建筑物等的影响，风向基本不变，但越往高处风速越大。各种地面不同情况下，如城市、乡村和海边平地，其风速随高度的增加而增加。

2）风能资源。地球上风能资源十分丰富。据世界能源理事会估计，在地球陆地面积中有27%的地区年平均风速高于5m/s（距地面10m处）。如果将地面平均风速高于5.1m/s的陆地用作风力发电场，则每平方公里的发电能力为8MW，据此推算上述陆地面积的总装机容量可达24×10¹³W。当然这只是个假想数字，因为这部分陆地还有其他的用途。美国和荷兰有关风力发电潜力的研究表明，上述面积中只有约4%可用作风力发电。如果再考虑到风力发电机的利用率，则全球陆上风力发电能力估计可达2.3×10¹²W，每年可发电20×10¹²kW·h。这个数字是惊人的，要知道1987年全球的能源消耗仅为12.5×10¹²W。值得注意的是，上述全球风力发电的估计潜力是对大规模联网风力发电场而言。实际上平均风速在4.4～5.1m/s之间的陆地面积约占地球陆地总面积的一半，而对于平均风速为3m/s地区，风力泵也是一种很经济的风能利用方式。这表明小型风力发电机和风力泵可应用于世界上的许多地区。

中国是季风盛行的国家，风能资源量大面广。风能理论总储量约为16×10¹¹W，可利用的风能资源约为2.5×10¹¹W。据气象部门多年观测资料，中国风能资源较好的地区为东部沿海及一些岛屿；内陆沿东北、内蒙古、甘肃至新疆一带，风能资源也较丰富。平均风能密度150～300W/m²，一年中有效风速超过3m/s的时间为4000～8000h。

（2）风能利用与价值 风能利用历史悠久，我国是世界上最早利用风能的国家之一。公元前数世纪，我国人民就利用风能提水、灌溉、磨面、舂米，用风帆推动船舶前进。在国外，公元前2世纪，古波斯人就利用风能碾米；10世纪，伊斯兰人用风能提水；11世纪，风力机已在中东获得广泛的应用；13世纪，风力机传至欧洲，14世纪时已成为欧洲不可缺少的原动机，除了汲水外还用于榨油和锯木；在19世纪，风力机更为荷兰、丹麦、美国等国的经济发展作出了重要贡献。例如，19世纪初，荷兰大约有1万台叶片长达28m的大型风力机。19世纪后半叶，风力机在丹麦已很流行，当时约有3000多台风力机在运行，总功率达150～200GW，当时丹麦工业界的约1/4的能源依赖风能。(www.xing528.com)

工业革命后，特别是到了20世纪，由于煤炭、石油、天然气的开发，农村电气化的逐步普及，风能利用呈下降趋势，风能技术发展缓慢。直到20世纪70年代中期，由于能源危机才使人们重新重视风力机的研究和发展，30年来风能利用技术已取得了显著的进步。

目前风能主要用于以下几方面：

1）风力发电。利用风力发电已越来越成为风能利用的主要形式，受到世界各国的高度重视，而且发展速度最快。风力发电通常有三种运行方式。一是独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，它用蓄电池蓄能，以保证无风时的用电。二是风力发电与其他发电方式（如柴油机发电）相结合，向一个单位或一个村庄或一个海岛供电。三是风力发电并入常规电网运行，向大电网提供电力。常常是一处风场安装几十台甚至几百台风力发电机，这是风力发电的主要发展方向。

近几年风力发电有了惊人的增长。截止2005年年底，世界风电装机总容量为59322MW，比上年增长25%。2005年全世界新增风电装机容量11769MW，比上年增加3562MW，增长43%；新增风电总投资达140亿美元。世界风电装机容量前六位的国家依次为德国18428MW、西班牙10027MW、美国9149MW、印度4430MW、丹麦3122MW、意大利1717MW。其他国家包括英国、荷兰、中国、日本和葡萄牙等的风电装机容量都达到了1000MW。

尽管风力发电具有很大的潜力，但目前它对世界电力的贡献还是很小的，这是因为风力发电的大规模发展仍受到许多因素的影响，例如风力机的效率不高，寿命还有待延长，风力机在大型化上仍存在某些困难，风力发电的高投资和发电成本仍高于常规发电方式，由于风能资源区远离主电网，联网的费用较大等。另外，公众和政府部门对风力发电的认识也在某种程度上影响风力发电的发展（例如认为建风力发电场妨碍土地在其他方面的使用）。

显然随着风力发电技术的进步，在风能资源好的地区，其发电成本可与常规电厂一样，加上替代能源的需求，在未来20年，风力发电将会有一个较大的发展。到2020年，全球的风力发电能力将达40万MW，相当于200个大型发电站。

2）风力泵水。风力泵水自古至今一直得到较普遍的应用。至20世纪下半叶，为解决农村、牧场的生活、灌溉和牲畜用水以及为了节约能源，风力泵水机有了很大的发展。现代风力泵水机根据用途可以分为两类：一类是高扬程小流量的风力泵水机，它与活塞泵相配提取深井地下水，主要用于草原、牧区，为人畜提供饮用水；另一类是低扬程大流量的风力泵水机，它与螺旋泵相配，提取河水、湖水或海水，主要用于农田灌溉、水产养殖或制盐。

3）风帆助航。在机动船舶发展的今天，为节约燃油和提高航速，古老的风帆助航也得到了发展。航运大国日本已在万吨级货船上采用电脑控制的风帆助航，节油率达15%。

4）风力致热。随着人民生活水平的提高，家庭用能中热能的需要越来越大，特别是在高纬度的欧洲、北美，取暖、煮水是耗能大户。为解决家庭及低品位工业热能的需要，风力致热有了较大的发展。“风力致热”是将风能转换成热能。目前有三种转换方法。一是风力机发电，再将电能通过电阻丝发热，变成热能。虽然电能转换成热能的效率是100%，但风能转换成电能的效率却很低，因此从能量利用的角度看，这种方法是不可取的。二是由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。三是将风力机直接转换成热能。显然第三种方法致热效率最高。

风力机直接转换热能也有多种方法。最简单的是搅拌液体致热，即风力机带动搅拌器转动，从而使液体（水或油）变热。“液体挤压致热”是用风力机带动液压泵，使液体加压后再从狭小的阻尼小孔中高速喷出而使工作液体加热。此外还有团体摩擦致热和涡电流致热等方法。