第1章 绪论

1.1 风能资源及风电发展概况

1.1.1 我国的风能资源及其分布

风是自然界中的空气流动现象，一般是指空气相对于地面的水平运动。风能是空气流动所产生的动能。风能资源是一种储量极为丰富的自然资源，也是一种清洁的可再生能源。早在1948年，普特南姆（Putnam）曾对全球风能储量进行了估算，他认为大气总能量约为10¹⁴MW。这个数量得到世界气象组织的认可，并在其1954年出版的技术报告《来自于风的能量》中进一步假定上述数量的1/10⁷是可为人们所利用的，即10⁷MW为可利用的风能。然而，1974年，冯·阿尔克斯（W.S.Von Arx）指出，上述数值过大，只能作为一个储藏量。他认为，风能这样的可再生能源必须跟太阳能的流入量对它的补充相平衡，据此，他提出地球上可以利用的风能为10⁶MW。即便如此，全球可利用风能的数量仍为可利用水能的10倍。1979年，古斯塔夫逊（M.R.Gustavson）从另一个角度推算了风能利用的极限。他根据风能来源于太阳能这一理论，认为可以通过估计到达地球表面的太阳辐射流中能够转变为风能的数量，来推算可利用的风能的数量。根据他的推算，到达地球表面的太阳辐射流是1.8×10¹⁷W，经折算后是350W/m²，其中，转变为风能的转化率η=2%，因此可以获得的风能为3.6×10¹⁵W，即7W/m²。在整个大气层中边界层约占35%，于是，边界层中能获得的风能为1.3×10¹⁵W，即2.5W/m²。作为一种稳妥的估计，在近地面层中，风能提取极限按1/10（即0.25W/m²）计，则全球风能资源的可利用量为1.3×10¹⁴W。以上介绍的情况表明，不论采用哪一种估算结果，风能资源都是一种数量极为可观、开发利用潜力巨大的能源。

一方面，与煤炭、石油、天然气等矿物燃料能源不同，风能资源不会随着其本身的转化和利用而减少，因此也可以说是一种取之不尽、用之不竭的能源。另一方面，矿物燃料的利用过程往往会带来严重的环境污染问题。例如，利用矿物燃料会导致空气中CO₂、SO₂、NO_x、CO等气体排放量的增加，进而导致温室效应、酸雨等现象的产生，而大规模利用风能资源，大力发展风电，被认为是缓解能源短缺状况、减少空气污染、减少有害气体（CO₂等）排放的有效措施之一。自20世纪70年代以来，世界范围内的风力发电技术取得了长足的进步，在此基础上，许多国家建立了众多的中型及大型风力发电场，风力发电的装机规模发展迅速。根据全球风能理事会（Global Wind Energy Council，GWEC）的统计，到2011年，全球75个国家有商业运营的风电装机，其中22个国家的风电装机容量超过1GW，而全球累计风电装机容量达到238GW。

我国的风能资源非常丰富。1980年，我国进行了第一次风能资源普查。当时在全国29个省（自治区、直辖市）选择了300个气象站点，从每个站点30年的气象资料中选出了3组年数据（即风速大值年、小值年、平均年），通过计算分析，得出我国风能资源储量约为1.6亿kW的结论。1984年9月至1987年7月，我国又开展了第二次风能资源详查。这次详查对风能资源丰富和较丰富的19个省（自治区、直辖市）的748个气象站连续10年的风能资料进行了收集、统计和计算，1995年中国气象局对外公布了详查结果，我国陆地10m高度处风能资源理论储量为32.26亿kW，技术可开发量按理论储量的10%推算，并考虑风轮扫掠面积，为2.53亿kW，见表1-1。此外，当时对我国近海风能资源只做了粗略估计，认为我国近海（水深小于15m）风能资源为陆上的3倍，即7.50亿kW。据此，得到我国风能资源技术可开发总量约为10亿kW的结论。

2004—2006年，中国气象局组织开展了第三次全国风能资源调查，利用全国2000多个气象台站近30年的观测资料，对原有的计算结果进行修正和重新计算，结果表明：我国陆上风能资源总储量为43.5亿kW，其中技术可开发量为2.97亿kW。2008年，中国气象局又牵头组织实施了“全国风能详查和评价”项目。2009年，中国气象局公布了这次风能资源详查和评价结果：我国风能开发潜力逾25亿kW。我国陆上离地面50m高度达到3级以上风能资源的潜在开发量约23.8亿kW；我国5～25m水深线以内近海区域，海平面以上50m高度处可装机2亿kW。

以上情况表明，我国风能资源丰富，可开发的风能潜力巨大，具有成为未来能源结构中重要组成部分的资源基础。

我国幅员辽阔，各地自然条件不同，风能资源呈现出地区分布不均的特点。一般说来，平均风速越大，风功率密度越大，风能可利用小时数就越多，风能资源越丰富。我国风能区域等级划分的标准如下：

（1）风能资源丰富区。年有效风功率密度大于200W/m²，3～20m/s风速的年累积小时数大于5000h，年平均风速大于6m/s。

（2）风能资源次丰富区。年有效风功率密度为150～200W/m²，3～20m/s风速的年累积小时数为5000～4000h，年平均风速在5.5m/s左右。

（3）风能资源可利用区。年有效风功率密度为100～150W/m²，3～20m/s风速的年累积小时数为4000～2000h，年平均风速在5m/s左右。

（4）风能资源贫乏区。年有效风功率密度小于100W/m²，3～20m/s风速的年累积小时数小于2000h，年平均风速小于4.5m/s。

具体地，根据有效风功率密度和一年中风速不小于3m/s的累积小时数，我国风能资源的地理分区情况如下：

（1）东南沿海及其岛屿为风能资源丰富区。有效风功率密度不小于200W/m²的等值线平行于海岸线，沿海岛屿的风功率密度在300W/m²以上，一年中风速不小于3m/s的累积小时数为7000～8000h。但是，当从这一地区延伸向内陆，地形呈丘陵连绵，冬半年强大冷空气南下，很难长驱直入；夏半年台风在离海岸50km时，风速便减小到68%。因此，东南沿海仅在由海岸向内陆几十公里的范围内有较多风能资源，再向内陆风能资源锐减，在离海岸不到100km的地带，有效风功率密度降至50W/m²以下，反而成为全国风能资源贫乏区。而在沿海岛屿上（如福建省的台山、平潭等，浙江省的南麂、大陈、嵊泗等，广东省的南澳等）风能资源都很多。其中，台山有效风功率密度为534.4W/m²，一年中风速不小于3m/s的累积小时数为7905h，平均每天出现风速大于等于3m/s的时间可达21h20min，是我国平地上有记录的风能资源最多的地方之一。

（2）内蒙古和甘肃北部以北广大地带亦为风能资源丰富区。这一带终年在高空西风带控制之下，又是冷空气入侵首当其冲的地方，有效风功率密度在200～300W/m²，一年中风速不小于3m/s的累积小时数为5000h以上，最大的虎勒盖地区达到7659h，并呈现自北向南逐渐减少的特点，但其梯度比东南沿海小。该区域虽比东南沿海岛屿上的风功率密度略小，但其分布范围较广，是我国连成一片的最大风能资源区，适于大规模开发利用。

（3）黑龙江和吉林东部及辽东半岛沿海也属于风能资源丰富区，有效风功率密度在200W/m²以上，一年中风速不小于3m/s的累积小时数为5000～7000h。

（4）青藏高原北部也应属于风能资源丰富区。其有效风功率密度在150～200W/m²之间，一年中风速不小于3m/s的累积小时数达6500h。但由于该地区海拔高，空气密度较小，所以有效风功率密度也相对较小。因此，若仅从一年中风速不小于3m/s的累积小时数考虑，青藏高原应属风能资源丰富区，而实际上这里的风能资源储量远比东南沿海小。

（5）云南、贵州、四川、甘肃、陕西南部，河南、湖南西部以及福建、广东、广西的山区，西藏雅鲁藏布江以及新疆塔里木盆地属于风能资源贫乏区，其有效风功率密度在50W/m²以下，一年中风速不小于3m/s的累积小时数在2000h以下，尤以四川盆地和西双版纳地区风能资源储量最小。这些地区除高山顶和峡谷等特殊地形外，风力潜能很低，无利用价值。

（6）在以上（4）、（5）两类地区以外的广大地区为风能资源可利用区，有的地区风能资源在冬、春季可以利用，有的地区在夏、秋季可以利用。这些地区有效风功率密度在50～150W/m²之间，一年中风速不小于3m/s的累积小时数为2000～4000h。

需要指出，我国东部沿海水深5～20m的海域面积辽阔，但受到航线、港口、养殖等海洋功能区划的限制，近海实际的技术可开发风能资源量远远小于陆上。不过在江苏、福建、山东和广东等地，近海风能资源丰富，距离电力负荷中心很近，近海风电可以成为这些地区未来发展的一项重要清洁能源。

1.1.2 风力发电概况

人类对风能资源的利用已有数千年的历史。早期阶段，风能作为重要的动力，被广泛用于船舶航行、提水饮用和灌溉、排水造田、磨面和锯木等。在蒸汽机出现之前，风力机械是动力机械的一大支柱。随着煤、石油、天然气的大规模开采和廉价电力的获得，曾经被广泛使用的各种风力机械，由于成本高、效率低、使用不方便等原因无法与蒸汽机、内燃机和电动机等相竞争，渐渐被淘汰。

19世纪末，丹麦首先开始利用风力发电，并研制出风力发电机组。但是，20世纪70年代以前，只有小型充电用风力发电机组达到实用阶段。20世纪30年代，在美国很多电网未通达的地区，独立运行的小型风力发电机组在实现农村电气化方面起到了很大作用。对于如何将风力发电机组发出的电送入常规电网，人们曾做过许多尝试来研制并网风力发电机组，其中对后来风力发电机组技术发展产生过重要影响的是丹麦的Gedser200kW风力发电机组，设计者采用异步发电机，定桨距风轮和叶片端部带有制动翼片，这种结构方式后来成为丹麦风力发电机组的主流，在市场上获得巨大成功。该机组从1957年运行到1966年，平均年发电量为45万kW·h。1973年石油危机发生以后，在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，作为新能源的一部分，风能资源的开发利用有了长足的发展。特别是风力发电在解决发展中国家无电农牧区居民的用电方面发挥了重要的作用。即使在发达国家，风能作为一种高效清洁的新能源也日益受到重视。例如，美国于1974年开始实行联邦风能计划，其内容主要是：评估国家的风能资源；研究风能开发中的社会和环境问题；改进风力发电机组的性能，降低造价；研究为农业和其他用户用的小于100kW的风力发电机组；为电力公司及工业用户设计兆瓦级风力发电机组。近年来，随着全球应对气候变化呼声的日益高涨以及能源短缺和能源供应安全形势的日趋严峻，风能作为可再生能源中成本较低、技术较成熟、可靠性较高的新能源，已开始在世界能源供应中发挥更加重要的作用，风力发电的普及程度迅速提高。截至2010年年底，已有100多个国家开始发展风力发电，其中风电装机容量超过100万kW的国家有20个，全球风电总装机容量已达到2亿kW。预计到21世纪中叶，风能将成为世界能源供应的支柱之一，成为人类社会可持续发展的主要动力源。

我国是世界上最早利用风能的国家之一。早在公元前数世纪，我国人民就利用风力提水、灌溉、磨面、舂米，用风帆推动船舶前进。到了宋代，我国进入风车应用的全盛时代，当时应用广泛的垂直轴风车一直沿用至今。而沿海沿江地区的风帆船，以及利用风力提水灌溉或制盐的做法，则一直延续到20世纪50年代，仅在江苏沿海地区，利用风力提水的设备就曾达到20万台。

我国的风力发电始于20世纪50年代后期，初期主要是为了解决海岛和偏远农村牧区的用电问题，重点在于离网小型风力发电机组的建设。20世纪70年代末，我国开始进行并网风电的示范研究，并引进国外风机建设示范风电场。1986年，我国第一座风电场——马兰风电场在山东荣成并网发电，成为我国风力发电史上的里程碑。此后，我国风电真正进入快速发展时期。随着风力发电技术的进步和国家产业政策持续支持，风电装机规模迅速扩大。2005年底，全国风力发电总装机容量达到1.25GW，到“十一五”期末，我国累计风电装机容量迅速增加到44.73GW（图1-1）。按风电装机规模计算，我国在2005年位居世界第八位，到2010年已跃居世界第一位。目前，我国有29个省、自治区、直辖市（不含港、澳、台地区）建设了风电场，其中，风电累计装机容量超过2GW的省份有7个（表1-2）。风力发电为我国能源供应和减少温室气体排放做出了重要贡献，2010年，全国风电年发电量490亿kW·h，按照发电标煤煤耗320g/（kW·h）计算，可节省标煤1568万t，减少CO₂排放4829万t，减少SO₂排放24.6万t，风力发电已经成为我国除火电、水电等常规能源外最重要的发电方式。

图1-1 中国新增及累计风电装机容量（2001—2010年）

“十二五”时期是我国全面建设小康社会的关键时期，是深化改革开放、加快转变经济发展方式的攻坚时期，也是我国风电规模化发展的重要时期。在这一时期，我国风电发展的总目标是按照“建设大基地、融入大电网”的方式，推进风电规模化发展，增加风电在能源消费构成中的比重；加强海上风力发电示范工程建设，积极发展海上风电；加快风电技术和产业升级，培育技术先进、具有国际竞争力的风电产业。预计到2015年，我国风电总装机容量达到1.0亿kW，年发电量达到2000亿kW·h，折合标煤约6000万t，风电在能源消费中的比重达到2%。依托华北、东北、西北（“三北”）地区以及东部沿海风能资源丰富地区，重点规划建设河北、蒙东、蒙西、吉林、甘肃、新疆、江苏、山东八大千万千瓦级风力发电基地，其中江苏和山东主要以集中开发海上风能资源为重点。根据各千万千瓦级风力发电基地规划，到“十二五”期末，在考虑电力市场消纳的情况下，各基地具备总装机容量7000万kW的开发潜力，约占全国风电总规划容量的70%。在经济较发达的上海、福建、浙江、广东等沿海地区，发挥其海上风能资源、地区经济和市场优势，加快海上风电开发建设，到2015年，在该地区海域建成10余个10万千瓦级的大型海上风力发电场。在其他具有可利用风能资源开发价值的内陆省（自治区、直辖市），因地制宜发展中小型风电场。同时，不断提高风电场设计、建设和运营水平，在风力发电机组整机设计和轴承、控制系统等核心部件制造的关键技术方面取得新突破，使我国风电设备制造技术水平和装备能力基本达到国际先进水平。根据国家发展和改革委员会能源研究所发布的《中国风电发展路线图2050》报告，到2020年、2030年和2050年，我国风电装机容量将分别达到2亿kW、4亿kW和10亿kW，成为中国五大能源之一。到2050年，风电将满足全国17%的电力需求。