1.我國風能資源分布
我國屬於地球北半球中緯度地區,在大氣環流的影響下,分別受副極地低壓帶、副熱帶高壓帶和赤道低壓帶的控制,我國北方地區主要受中高緯度的西風帶影響,南方地區主要受低緯度的東北信風帶影響。
我國地域遼闊,陸地最南端緯度約為北緯18度,最北端緯度約為北緯53度,南北陸地跨35個緯度,東西跨60個經度以上。我國獨特的宏觀地理位置和微觀地形地貌決定了我國風能資源分布的特點。我國在宏觀地理位置上屬於世界上最大的大陸板塊——歐亞大陸的東部,東臨世界上最大的海洋——太平洋,海陸之間熱力差異非常大,北方地區和南方地區分別受大陸性和海洋性氣候相互影響,季風現象明顯。北方具體表現為溫帶季風氣候,冬季受來自大陸的乾冷氣流的影響,寒冷乾燥,夏季溫暖溼潤;南方表現為亞熱帶季風氣候,夏季受來自海洋的暖溼氣流的影響,降水較多。
按照陸地與海洋的距離劃分,我國可分為南部沿海地區、東南部沿海地區、東部沿海地區、中部內陸地區、西部、北部和東北部內陸地區。
南部沿海地區在東北信風帶和夏季熱低氣壓的影響下,主風向為東風和東北風,由於夏季低氣壓的氣壓梯度較弱,因此風力不大,風能較小。
東南部沿海地區與臺灣島在臺灣海峽地區形成獨特的狹管效應,而該地區又正處於東北信風帶,主風向與臺灣海峽走向一致,因此風力在該地區明顯加速,風力增大,風能資源豐富,具有較好的風能開發價值。
東部沿海地區基本上處於副熱帶高壓控制,氣壓梯度小,同時,該地區又受海洋性氣候的影響,大風持續時間短且不穩定,風能資源開發潛力一般。
中部內陸地區由於所處地理位置條件的限制,冬季來自北方的冷空氣難以到達這裡,夏季受海洋性氣候的影響較小,同時由於該地區地勢地形複雜和地面粗糙度變化較大,不利於氣流的加速,因而風能資源比較貧乏。
西部、北部和東北內陸地區主要包括新疆、甘肅、寧夏、內蒙古、東北三省、山西北部、陝西北部和河北北部地區,這些地區緯度較高,處於西風帶控制,同時冬季又受到北方高壓冷氣團影響,主風向為西風和西北風,風力強度大,持續時間長,同時這些地區海拔較高,風能衰減小,因此,具有較好的風能開發價值。
我國對風能資源的觀測研究工作始於20世紀70年代,中國氣象局先後於20世紀70年代末和80年代末進行了兩次全國風能資源的調查,利用全國900多個氣象臺站的實測資料給出了全國離地面10m高度層上的風能資源量。據資料介紹,當時我國的風能資源總儲量為32.26億kW,陸地實際可開發量為2.53億kW,近海可開發和利用的風能儲量有7.5億kW。
根據中國氣象局於2004~2006年組織完成的最新的第三次全國風能資源調查,利用全國2000多個氣象臺站近30年的觀測資料,對原有的計算結果進行修正和重新計算,調查結果表明:我國可開發風能總儲量約有43.5億kW,其中可開發和利用的陸地上風能儲量有6~10億kW,近海風能儲量有1~2億kW,共計約7~12億kW。
2.我國主要的風能豐富區
圖1是我國有效風能密度分布圖,深顏色顯示了風能豐富地區的分布。
圖1 中國有效風能密度分布圖(W/m2)
(1)「三北」(東北、華北、西北)風能豐富帶
該地區包括東北3省、河北、內蒙古、甘肅、青海、西藏、新疆等省區近200千米寬的地帶,是風能豐富帶。該地區可設風電場的區域地形平坦,交通方便,沒有破壞性風速,是我國連成一片的最大風能資源區,適於大規模開發利用。
(2)東南沿海地區風能豐富帶
冬春季的冷空氣、夏秋的颱風,都能影響到該地區沿海及其島嶼,是我國風能最佳豐富帶之一,年有效風功率密度在200W/m2以上,如臺山、平潭、東山、南鹿、大陳、嵊泗、南澳、馬祖、馬公、東沙等地區,年可利用小時數約在7000至8000小時。東南沿海由海岸向內陸丘陵連綿,風能豐富地區距海岸僅在50千米之內。
(3)內陸局部風能豐富地區
在兩個風能豐富帶之外,局部地區年有效風功率密度一般在100W/m2以下,可利用小時數3000小時以下。但是在一些地區由於湖泊和特殊地形的影響,也可能成為風能豐富地區。
(4)海拔較高的風能可開發區
青藏高原腹地也屬於風能資源相對豐富區之一。另外,我國西南地區的雲貴高原海拔在3000米以上的高山地區,風力資源也比較豐富。但這些地區面臨的主要問題是地形複雜,受道路和運輸條件限制,施工難度大,再加上海拔高,空氣密度小,能夠滿足高海拔地區風況特點的風電機組較少等等,增加了風能開發的難度。
(5)海上風能豐富區
海上風速高,很少有靜風期,可以有效利用風電機組發電容量。一般估計海上風速比平原沿岸高20%,發電量增加70%,在陸上設計壽命20年的風電機組在海上可達25年到30年。我國海上風能豐富地區主要集中在浙江南部沿海,福建沿海和廣東東部沿海地區,這些地區海上風力資源豐富且距離電力負荷中心很近,與海上風電開發成本雖高,但具有高發電量的特點相適應。
2009年12月中國氣象局正式公布全國風能資源詳查階段成果數字為陸上50m高度潛在開發量約23.8億千瓦,近海5~25m水深線內可裝機量約2億千瓦。
3.影響我國風能資源分布的氣象條件
(1)冷空氣活動
冬季(12月到翌年2月)整個亞洲大陸完全受蒙古高壓控制,其中心位置在蒙古國的西北部,從蒙古高壓中不斷有小股冷空氣南下並進入我國,同時還有移動性的高壓不時地南下,氣溫較低,形成大範圍的大風降溫天氣。
如圖2所示,影響我國的冷空氣有5個源地,由這5個源地侵入我國的路線稱為路徑。第一條路徑來自新地島以東附近的北冰洋面,從西北方向進入蒙古國西部再東移南下影響我國;第二條是源於新地島以西北冰洋面,經俄羅斯、蒙古國進入我國;第三條源於地中海附近,東移到蒙古國西部再影響我國;第四條是源於太梅爾半島附近洋面,向南移入蒙古國,然後再向東南影響我國;第五條源於貝加爾湖以東的東西伯利亞地區,進入我國東北及華北地區。
圖2 中國寒潮冷空氣路徑圖
這5條路徑進入我國後分兩條不同的路徑南下,一條是經河套、華北、華中由長江中下遊入海,有時可侵入華南地區,沿此路逕入侵的寒潮可以影響我國大部分地區,出現次數佔總次數的60%以上,冷空氣經過之地有連續的大風、降溫,並常伴有風沙。另一條是經過華北北部、東北平原,冷空氣路徑東移進入日本海,也有一部分經華北、黃河下遊向西南移入兩湖盆地,這一條出現次數約佔其中次數的40%,它常使渤海、黃海、東海出現東北大風,也給長江以北地區帶來大範圍的大風、降雪和低溫天氣。
(2)熱帶氣旋活動
在我國東南沿海每年夏秋季節經常受到熱帶氣旋的影響。我國現行的熱帶氣旋名稱和等級標準見表1。颱風是一種直徑1000km左右的圓形氣旋,中心氣壓極低,颱風中心10~30km範圍內是颱風眼,颱風眼中天氣較好,風速很小。在颱風眼外壁天氣最為惡劣,最大破壞風速就出現在這個範圍內。所以一般只要不是在颱風正面直接登陸的地區,風速一般小於10級(26m/s),它的影響平均有800~1000km的直徑範圍,每當颱風登陸後我國沿海可以產生一次大風過程,而風速基本上在風力發電機組切出風速(25m/s)範圍之內,是一次滿發電的好機會。
在我國登陸颱風平均每年有7個,而廣東每年登陸颱風最多為3.5次,海南次之為2.1次,臺灣1.9次,福建1.6次,廣西、浙江、上海、江蘇、山東、天津、遼寧合計僅1.7次,由此可見,颱風影響的地區由南向北遞減。
4.影響風能利用的災害性天氣
(1)颱風
颱風具有暖性高溼和強烈輻合的特點,它能量很大,來勢兇猛,常常伴有狂風、暴雨、風暴潮等強烈的天氣,是影響我國的主要災害性天氣系統之一。颱風移近海岸時,狂風可引起大範圍巨大的海潮,使沿海地區受到猛烈衝擊。登陸颱風帶來的狂風暴雨常使建築物、輸電線路等地面設施遭受嚴重破壞,對裸露在大氣中,以自然風為動力的風力發電機組葉輪構成了很大的威脅,輕者引起發電機組部件損傷,重者造成葉片損壞甚至塔架傾覆。
(2)低溫
溫度條件也是風電場建設要考慮的一個重要因素。低溫下發電機組的運行狀況、零部件的性能、機組的可維護性等方面將發生變化。例如隨著溫度的降低,空氣密度將增大,可能使風力發電機組出現過載現象;一般金屬材料的疲勞極限隨溫度的降低而降低,許多主要零部件在高寒環境下存在低溫疲勞問題,特別是焊縫處容易脆斷破裂;電子電氣器件功能受溫度影響也較大;有些類型風力發電機組在正常運行時,如溫度低於-20度,風速超過額定值後,會產生無規律葉片瞬間振動現象,可導致機組振動迅速增加,影響機組正常發電,後者造成機組停機,同時也可能造成葉片損傷。另外,風力發電機組所使用的油品在低溫時流動性變得很差,致使機組難以運轉,進而危及設備安全運行。
(3)積冰
積冰是指地面樹木,設施等物體表面產生的結冰現象,也稱覆冰。積冰對風電場及導線線路有很大的危害,不僅增加了導線、杆件等的垂直載荷,而且使導線、杆件等的界面增大,從而增大機構的擋風面積,使風載荷增加,在積冰嚴重的地區有時會遭致導線跳頭、扭斷甚至拉斷或結構倒塌等事故。
(4)雷暴
雷暴是積雨雲在強烈發展階段產生的雷電現象。雷暴過境時,氣象要素和天氣變化都很劇烈,常伴有大風、暴雨以至冰雹和龍捲風,是一種局地性的但卻很猛烈的災害性天氣。由於風力發電機組和電線線路多建在空曠地帶,處於雷雨雲形成的大氣電場中,相對於周圍環境,往往成為十分突出的目標,很容易發生尖端放電而被雷電擊中,雷電釋放的巨大能量會造成風力發電機組葉片損壞,發電機絕緣擊穿,控制元件燒毀等,致使設備和線路遭受嚴重破壞,即使沒有被雷電直接擊中,也可能因靜電和電磁感應引起高幅值的雷電壓行波,並在終端產生一定的入地雷電流,造成不同程度的危害。
(5)沙塵暴
沙塵暴是指強風將地面大量沙塵捲入空中,使空氣混濁,水平能見度小於1km的天氣現象。而強沙塵暴則是使空氣非常混濁,水平能見度小於500m的天氣現象。
沙塵暴發生時,往往狂風大作,黃沙滾滾,遮天蔽日,天空呈土黃色,甚至紅黃色,陽光昏暗,能見度非常低,嚴重時甚至伸手不見五指,強風可吹倒或拔起大樹、電桿,刮斷輸電線路,毀壞建築物和地面設施,造成人畜傷亡,破壞力極大。
對於風電場來說,沙塵暴的危害是多方面的。首先,沙塵暴都伴隨有大風,強沙塵暴風力達8級以上,甚至有的可達12級,相當於颱風登陸的風力,大風對風電場的破壞力已不言而喻。其次是大風夾帶的沙粒及黃豆大小乃至核桃大的石塊還會擊打、磨蝕建築物和其他裸露物體的表面,不僅會使風電機組葉片的表面受到嚴重磨損,而且還會使葉片表面出現凹凸不平的坑洞,影響風電機組出力,同時嚴重破壞葉片表面的強度和韌性以及葉片整體的強度,對風電場儀器設備構成較大的危害。另外,沙塵暴在以排山倒海之勢向前移動時,還驅動著下層的沙粒也隨之一起前行,遇到迎風和隆起的地形,沙塵暴可對土壤造成不同程度的刮蝕,每次風蝕深度可達1~10cm;遇到背風凹窪的地形或障礙物時,隨風而至的大量沙塵又會造成沙埋,嚴重的沙埋深度可達1m以上。
如風電場建在迎風坡或地勢較高的地區,沙塵暴對土地的刮蝕,會對塔基的牢固程度造成影響,在背風坡或地勢低洼的地區,其沙埋作用又可使塔架的高度發生變化,影響風能吸收和轉換。