关于风能资源的评价与利用文献综述

关于风能资源的评价与利用文献综述

人们在家利用风能,人们是如何利用风能,桥梁风能利用　　专业 ：过程装备与控制工程 1001 学号 ：9 姓名：孔令冲 【摘要】 世界能源消耗量的持续增加使全球范围内的能源危机形势愈发明显， 开发可再生能 源以缓解能源危机 ，实现能源的可持续发展已成为世界各国能源发展战略的重大举措。风 能因其在全球范围内的蕴藏量巨大可再生分布广无污染的特性使风力发电成为世界能源发 展的重要方向。 本文首先对风能资源的评价及其意义进行阐述， 并重点介绍了风能资源评价 工作的工作内容和风能资源评估技术方法，然后简单介绍风能资源的利用，最后做了 21 世 纪风能利用的展望。 【关键词】风能资源 评价 评估技术 利用 引言 风能是一种可再生的清洁能源, 也是比较丰富的自然资源之一。20 世纪 70 年代以来, 随着能源危机不断出现和环境污染日益严重, 为了减轻污染, 保护环境, 使经济走向可持 续发展的道路,许多国家开始重视开发和利用风力资源, 使风能利用技术得到了迅速发展。 我国风力资源十分丰富, 可开发量达 25. 3GkW; 开发风能资源、利用风力发电在我国虽然 只有数十年, 但其发展却很快。20 世纪 90 年代以来, 我国并网风力发电厂装机容量以平均 每年 60%的幅度递增, 至 1999 年底总装机容量达到 26. 8 万 kW。根据国家经贸委新能源和 可再生能源产业发展计划, 到 2015 年我国风力发电装机总量预计达到 700 万 kW。 为了更好 地满足日益增多的风电场建设要求, 各地加大了风力资源的评估, 确定最具开发潜力的风 [1] 电场地。风能资源评估是风电资源开发的前提, 是风电场建设的关键。 1.风能资源评价 早在 1948 年，普特南姆（Putnam）就对全球风能贮量进行过估算，他认为大气总能量 14 约为 10 兆瓦。这个数量得到世界气象组织的认可，并在 1954 年世界气象组织出版的技术 报告第 4 期“来自于风的能量”专集中，进一步假定上述数量的 1 千万分之一是可为人们 7 所利用的，即有 10 兆瓦为可利用的风力，相当于当今全球发电能源的总需求，可见它是一 个十分巨大的潜在能源库。而阿尔克斯 1974 认为上述的量过大，这个量只是一个贮藏量， 对于可再生能源来说，必须与太阳能的流入量对它的补充相平衡，其补充率较它小时，它将 6 会衰竭。因此人们关心的是可利用的风的动能，他认为地球上可以利用的风力为 10 兆瓦。 即使如此，可利用风力的数量仍旧是地球上可利用水力的 10 倍。因此在可再生能源中，风 能是一种非常可观的、有前途的能源。 1.1 风能资源评价工作的意义 风能资源评价是发展风电的前提，对风电场选址、风电机组设计、电网规划与建设，以 及风能资源开发利用决策管理都十分重要。 加强风能资源评价和规划工作，摸清风能资源 状况， 通过风能资源详查工作， 可建立满足风能资源长期可持续开发利用的风电项目储备和 建设规划，实现风能资源的科学有序开发利用。 1.2 风能资源评价工作的简单回顾 中国气象局及所属各科研院所和各省 （市） 气象局是研究和掌握中国风能资源状况最为 深入的部门。 上世纪 70 年代末和 90 年代先后进行了两次风能资源普查， 其中包括了 900 个气象站资料。1980-1986 年，对海岸带进行调查和评价，推算了近海的风能资源。 “九五” 期间尝试卫星遥感、 地理信息系统以及数值模拟技术综合应用于风能资源评估， 取得的较好 的效果。为了有效利用我国丰富的风能资源，促进我国风电建设的更快发展，国家发展和改 革委员会办公厅决定从 2003 年开始用 2 年左右的时问，在全国范围内选择 20 个 10× 4 10 kW 以上的大型风电场，井完成风资源评价和提出风电场建设的可行性预研究报告，明确 提出风能资源评价由气象部门承担。

　　人们在家利用风能,人们是如何利用风能,桥梁风能利用按照国家发改委办公厅和中国气象局的要求， “第 3 次全国风能资源评价”项目由中国 气象科学研究院牵头，国家气候中心、气象信息中心、广东、河北等省气象局作为参加单位 组织实施。项目的主要内容是完成全国风能资源评价综合报告、研制国家风能资源数据库、 开展复杂地形下的风场数值模拟试验、 编制相关的风能资源评价技术规定、 风能资料质量审 核规程和风电场气象观测仪器检定规程等管理办法。 项目于 2003 年 10 月启动， 其中中国气 象科学研究院编制的《风能资源评价技术规定》已于 2004 年 4 月通过专家论证，由国家发 展改革委员会发文全国执行。省级风能资源评价工作已经取得初步结果， “全国风能资源评 价综合报告” 、 “全国风能资源数据库” 、 “小范围风能资源数值模拟” 等分项日正按计划进行。 1.3 风能资源评价工作的结论 与世界其他国家相比， 中国属于风能资源丰富的国家之一。 我国的风能资源可划分为较 丰富区和丰富区、一般区（可利用区）和贫乏区。 丰富区主要集中在两个带状地区，一条 是“ 三北” 东北、华北、西北）地区，终年在高空西风带控制之下，且又是冷空气侵入 （ 我国必经之地，该地区面积大、交通方便、地势较平坦，风速随高度增加很快，风能资源十 分丰富；另一条是“ 沿海及其岛屿地丰富带” ，其风能功率密度线平行于海岸线。这些地区 每年可利用风能的有效小时数约在 7000～8000 小时，沿海夏、秋还有热带气旋的影响，每 当台风登陆可产生一次大风过程。近年来，我国的交通条件得到极大的改善，电网覆盖程度 有了很大的提高， 许多风资源丰富地区己置于电网覆盖之下， 也为我们建设大型风电场提供 了更有利的条件。 风能可利用区包括闽、粤离海岸 50-100km 的地带，大小兴安岭，辽河流域，苏北，长 江及黄河下游，两湖沿岸等地。这一区是在风能资源丰富区向内陆延伸，基本不具备建设风 电场的条件，只有在特殊的地理环境下，风能资源才较丰富，如大湖泊、大河谷、山口等， 其开发利用的面积较小。 风能贫乏区主要是分布在盆地中，如以四川盆地为中心的周边地区、塔里木盆地、雅鲁 藏布江河谷等。青藏高原，由于海拔高、气压低、空气密度小，同样是 8m/s 风速，其风能 密度仅相当平原地区的 65%左右，所以，青藏高原虽风速较大，但由于空气密度小，成为不 宜建设风电场的制约因素。 如表 1 是全国风能资源评价主要分布 （年平均风功率密度150W/ ㎡区域） 表 1 全国风能资源评价主要分布（年平均风功率密度150W/㎡区域） 丰富区 年有效风能密 2 度（W/m ） ≥200 较丰富区 200——150 5000——4000 18 可利用区 150——50 4000—2000 50 贫乏区 ≤50 ≤2000 24

　　2.风能资源评价的工作内容 2.1 建立风能资源专业观测网 根据第三次全国风能资源普查成果，在可能具备大型风电场开发资源条件的区域，按 照《关于开展风能资源详查和评价工作的通知》 （发改能源[2007]1380 号）要求，确定开展 风能资源详查和评价工作的区域； 根据风能资源综合分析和评估的需要， 建立全国风能资源 监测专业网，初步估算约需布设约 400 座 70m、100 或 120 米高度的测风塔，开展风能资 源观测；调查拟开展风能资源详查和评价工作区域内已有测风塔情况，通过协调、收购等方 式，从中筛选部分运行状况较好的测风塔，纳入全国风能资源监测网，继续开展测风工作。 观测要素主要包括：风、气温、湿度和气压。考虑到台风活动的影响，对于长江以南地

　　区的测风塔应该至少在最高层配置强风仪。同时，考虑到风电机组设计、认证的需求，在不 同气候区、 不同下垫面、 不同地形条件选择有代表性的测风塔 （约 40 座） 增加脉动风观测。 2.2 开展高分辨率风能资源数值模拟计算 对风能资源详查和评价区域开展数值模拟计算，给出水平分辨率 1 公里×1 公里、垂 直方向离地面 150 米高度层以下、垂直分辨率 10 米的风能资源参数的立体网格分布。风 能资源数值模拟采用湍流观测和模式调整、数值模拟、结果统计订正的技术方案来完成。 同时进行风能资源长期和短期两套数值模拟计算， 以长期数值模拟计算结果为主， 短期 数值模结果拟作为参照和补充。 通过对两套方案的模拟计算结果进行综合分析，得到详查区域水平分辨率 1km×1km、 离地面 150m 高度以下每 10m 间隔的各种风能资源参数的立体网格分布。 2.3 开展风能资源综合评价 对风能资源专业网实测数据、参考气象站历史测风资料、数值模拟计算结果、气候调研信息 进行综合分析， 对详查区域的风能资源分布特征进行综合评价， 确定潜在风电场的地理位置、 范围、资源等级和气象风险等级。 2.4 开展风电场工程综合评价 根据风能资源的综合评价结论、自然条件、工程建设条件和其他社会经济因素，确定详 查和评价区域的风能资源经济开发量和开发利用方案。 根据风电场工程评价的需求，结合国家行业主管部门已经颁发的风电场工程资源评估、 场址选择以及预可行性研究等多项技术办法，制定《风电场工程综合评价技术标准》等技术 标准和管理办法。 根据风能资源详查结论和《风电场工程综合评价技术标准》 ，对各预选风电场场 址进行综合评价，给出各预选场址的综合评价结论，包括详查和评价区域的风能可开发 量和开发利用方案，各风电场建设条件评价等。 2.5 建立风能资源数据库和风电场工程数据库 建立基于 WEB-GIS 技术的风能资源信息维护管理、检索和共享服务的平台的风能资源 数据库，包括国家级和省级两个不同级别的数据库，通过网络形成一个统一的整体，但两级 数据库又有不同的定位和分工。 国家级风能资源数据库管理和服务的对象是全国的数据管理和产品服务。 由国家级数据 库承担单位负责建立统一的数据规范和技术标准， 指导省级数据库系统开发， 省级数据库承 担单位主要工作内容包括：数据库移植、资料入库、维护管理。 建立基于 WEB-GIS 技术的中国风电场工程数据库，将各风电场工程综合评价结论录入 中国风电场工程数据库，同时制订数据库的维护、管理办法，为国家风电开发建设提供项目 [2] 保障和技术服务。 3. 风能资源评估技术方法概况 现有的风能资源评估的技术手段有 3 种: 基于气象站历史观测资料的评估、 基于气象塔 观测资料的评估以及风能资源评估的数值模拟。 基于气象站观测资料的风能资源评估主要存在 3 方面的问题: 第一, 气象站测风高度 只有 10m, 而风机的轮毂高度大多数都在 50 和 70m,近地层风速随高度的变化取决于局地地 形和地表条件以及大气稳定度, 因此从 10m 高度的风能资源很难准确推断风机轮毂高度的 风能资源; 第二, 中国气象站的间距是 50) 200km, 东部地区气象站分布密度较大, 西部地 区分布稀少, 西部的统计分析结果的误差就会很大, 即使是 50km 分辨率的统计计算结果也 只能宏观地反映中国风能资源的分布趋势, 不能较准确定量地确定一个区域可开发风能资 源的覆盖范围和风能储量; 第三, 中国的气象站大多数都位于城镇近郊, 由于城市化的影 响, 城镇地区的风速相对较小, 对风能资源评估结果有一定影响。 所以, 基于气象站观测资

　　料的风能资源评估还不能满足中国制定风电发展规划对风能资源评估的需求。 近十几年来, 欧美国家应用数值模拟的方法发展了许多较为成熟的风能资源评估系统 软件。20 世纪 80) 90 年代, 丹麦 Risoe 国家实验室在 Jacksonhe Hunt 理论基础上, 发展 S 了 一 个 用 于 风 电 场 微 观 选 址 的 资 源 分 析 工 具 软 件 ))) WA P(Wind Atlas Analysis and Application Program)。该软件核心是一个微尺度线性风场诊断模式, 利用地转风和单点的 S 测风资料推算周围区域风场的风资源分布, 适用于较为平坦地形(坡度 0. 03) 。WA P 适用 2 范围在 100km , 仅适用于对小范围风资源的调查。因此 20 世纪 90 年代后期, Risoe 实验室 S 发展了将中尺度数值模式 KAMM 与 WA P 模式相结合的区域风能资源评估方法, 利用网格尺度 S 为 2-- 5km 的中尺度 KAMM 模式输出结果驱动 WA P, 从而得到具有较高分辨率的风资源分布 图。 综上所述， 将数值模拟技术应用于风能资源评估是一个行之有效的方法。 从基础理论上 讲, 建立在对边界层大气动力和热力运动数学物理描述基础上的数值模拟技术要优于仅仅 依赖气象站观测数据的空间插值方法; 从实际应用上来看, 数值模拟方法可以得到较高分 辨率的风能资源空间分布, 可以更精确地确定可开发风能资源的面积和风机轮毂高度的可 [3] 开发风能储量, 更好地为风电开发的中长期规划和风电场建设提供科学依据。 4.风能资源利用 风是地球表面上的大气受到太阳辐射而引起的部份空气的流动,是太阳能的一种转化形 [4] 式。目前风能资源利用主要集中在风力发电、风帆助航、风力提水、风力制热四个方面。 世界拥有巨大的风能资源。据估计,世界风能资源高达每年 53 万亿 kWh ,是 2020 年世 界预期电力需求的两倍。中国是风能资源丰富的国家,仅次于俄罗斯和美国,居世界第三位。 中国的风能资源主要集中在三北地区及东部沿海风能丰富带,给大规模的开发和利用带来了 良好的条件。 5.展望 21 世纪风能的利用与发展 近几年来世界风能技术的发展异常迅猛, 其表现在以下几个方面:世界风力发电装机容 量迅速扩大；风力发电机组的单机容量不断增大；商用风电机组技术日臻成熟；风力发电的 [5] 经济性日益提高。 风能是一种可再生能源, 取之不尽, 用之不竭的无污染的能源, 具有诱人的发展前景, 风力发电由于其具有效益和环保上的一系列优势, 将首先成为可以与常规能源发电相竞争 的新能源发电方式。 一个大规模开发利用风能的时代, 一个利用风力发电造福于人类的时代 已经到来, 让我们以饱满的热情迎接这个时代的到来。 [1] 邱 凉 , 鱼 京 善 , 秦 树 林 . 风 能 资 源 评 估 系 统 开 发 与 应 用 [J]. 能 源 环 境 保 护,2004,18(2):33-35 [2]陈超.风能资源的评价与利用概述[D].成都：四川省气候中心，2007 [3] 李 泽 椿 , 朱 蓉 , 何 晓 凤 , 张 德 . 风 能 资 源 评 估 技 术 方 法 研 究 [J]. 气 象 学 报.2007.65(5):708-717 [4] 齐 瑞 贵 , 李 景 春 , 李 蕾 . 风 能 致 热 系 统 研 究 [J]. 辽 宁 工 程 技 术 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版),2001,20(2):228-230 [5]李振邦.展望 21 世纪风能的利用与发展[J].运筹与管理.2002.11(6):124-129