太阳的能量风能.docx
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太阳的能量风能
五大瓶颈待破
中国资源综合利用协会可再生能源专委会主任朱俊生向本报记者详细阐述了制约风电产业发展的五大瓶颈。
其一，前期准备工作不充分导致风电项目效益不理想，增大了投资风险。
在风电场建设中，有些项目前期准备工作未充分进行，特别是资源环境未搞清之前，用一些不完整或者过期的数据进行科研、做决策、上项目、选机型。
结果和预期的差距较大，造成投资效益差，电价缺乏竞争力，使投资处于长期亏损状态，影响投资者的信心和积极性。
其二，重建轻管，维修服务跟不上，设备效益未能充分发挥。
重视扩大建设规模，关注已装机多少万千瓦时，忽视实际发电量，追求业绩，忽视效益。
项目建成后，管理和维修服务跟不上，对故障停机不能及时处理，造成长期停机维修，影响效益的充分发挥。
“在美国，风电维修工人的服装都有专门的厂家设计、生产，充分考虑他们经常爬上爬下的工作特点以及对环境的特殊要求。
”朱俊生举了这样一个简单的例子，“我们还远没有考虑到这么细致，更谈不上延伸产业链的发展。
”
其三，新产品未经严格考核就上批量上工程，造成浪费。
目前我国风电机组制造企业有40多家，多数是引进技术未经认真消化吸收就急于批量生产，由于风电机组市场需求发展很快，新产品组装后未经严格考核，就有企业找上门来订货，生产企业为了占领市场就急于扩大生产上批量，上工程，出现产品质量问题就不断进行维修，有的还需反复吊装更换零件，长时间不能正常运行，设备效益难以发挥，同时造成人力物力大量浪费。
其四，重复引进，同水平竞争，风险加大。
随着风电产业的快速发展，风电机组市场需求增长很快，有实力的装备制造业，蜂拥进入风电机组的开发。
新进入的企业缺乏经验和自主研发能力，急于进入，多数为引进许可证生产，国外雷同机型多家引进，造成国内企业在同一水平上进行竞争。
如果不在消化吸收创新上下工夫，在激烈竞争中企业将陷入被动，带来风险。
其五，关键零部件发展滞后。
我国整机研发和生产企业已超过40家，生产几十个型号机型，需要大批高质量的零部件与之配套，目前关键的零部件，如轴承、液压件、电控等部分关键零部件还需大量进口，成为我国风电产业发展的瓶颈，必须下工夫解决。
没有高质量的零部件生产不出高质量机组，也无法支撑整机技术的快速提升，因此提高关键零部件的制造水平实现国产化是当务之急。
太阳的能量
整个地表大气层就象是一台封闭的热能机。
太阳（能源供应源）通过照射地球，已经向地球输送了46亿年的能源（估计还会持续40-50亿年）。
图1：
太阳照射地球示意图（eLSEE）
太阳每年以光和热的形式向地球输送总共达1.5亿亿千瓦时的能量，平均每秒就有470亿千瓦时。
2003年全世界消耗的电能总量为1600万兆瓦时，也就是说，太阳照射地球6个小时所带来的能源，就够整个世界一年的消耗了。
由太阳照射不均匀而引起温度差
图2：
空气温度（eLSEE）
这种温度差是由下列原因引起的：
∙地球是球状体，引起太阳照射不均匀（比如赤道的照射强度比两极要强）.
∙地表物质对能量储存能力的不同（比如陆地温度变化比海洋快，城市温度比郊区高）
∙地势的差别（地表越高，温度越低）.
∙一天内时间的不同（晚上地表基本不吸收热量）.
∙天气的不同（比如多云天气可以减少太阳的照射强度）.
∙空气湿度的不同
由温度差和空气的湿度差而引起大气压力差
在空气湿度一定的情况下，大气温度越高，重量就越轻。
热气球就是利用了这个原理实现漂浮的：
气球内部的空气比外部的要热，所以受到空气浮力而升空。
当一定量的气体重量变轻的时候，就会占据更大的空间，并且压力随着降低。
换句话说，冷空气的密度要大于热空气的密度。
冷空气随着高度变化而产生的降压速度要比热空气快。
从大面积上考虑，空气的热能和湿度根本无法保持恒定，这就导致了空气压力也无法恒定。
图3：
地表压力和10m-风（维也纳大学）
由大气压力差产生风
空气中存在的压力差是一种不稳定的状态，它会自动寻求压力平衡。
这样，空气就会由高压带向低压带移动：
风就形成了。
当然，地球的形变和科氏力的作用对风的形成起到了很大的作用。
本节翻译:
xieyaqian
太阳对地球照射的分布不均匀
太阳以光和热的形式向地球不间断的提供着能源，而地球上最大的能源储存物质就是气态、液态或者固态的水。
由于地球是球体，而太阳直射赤道，这样越往两极，太阳照射强度越低。
这就造成了赤道地区的能源过剩和两极地区的能源不足。
为了保持平衡，热能就会通过空气中的水分从赤道向南北半球移动。
这就形成了全球的风力系统。
可氏力
图1:
丹尼尔旋涡流（06年6月21日）
地球形变和可氏力对全球风力体系也产生作用
可氏力（或者可氏效应、可氏运动）是地球上运动的物体产生的偏向力。
（北半球向右偏，南半球向左偏。
）
∙可氏力对环境的影响。
比如:
低气压和龙卷风的自动旋转。
∙铁轨的一面磨损总是比另一面严重。
∙火箭的上升轨道受很大的影响
可氏力受下列系数的影响:
∙物体的质量：
运动物体的质量越大，它产生的可氏力就越大。
∙物体的速度：
物体只有运动才会产生可氏力。
物体运动速度越快，可氏力就越大。
所以说，可氏力是伴随着运动的质量而产生的。
∙物体的位置：
在北半球质量随地球顺时针旋转，南半球正好相反。
可氏力在赤道和南北两极都为零，在回归线附近达到最大值。
∙地球的自转速度：
该值是固定的，但假如地球自转速度加快，可氏力也会相应的变大。
在可氏力的影响下，北风（北半球）总是向东偏斜，而南风总是向西倾斜。
这种现象对全球风力系统产生了很大的影响。
全球风力系统
图2：
大气环流系统
南北半球都有三个显著不同的区域可以识别：
∙热带地区（赤道和南北30度之间）是所谓的哈德里环流圈。
赤道附近的空气受热上升，在高空向两极移动，同时受地球自转和可氏力的影响向东偏移。
在南北30度附近，空气开始下降，并以风的形式通过大气最地层流回到赤道附近，同时受可氏力的影响向西偏移。
∙温带地区（南北30度至60度之间）是罗斯比环流圈。
在该区域内，强劲的杰特斯西风占据着主要地位。
飞机可以利用这种强劲的西风缩短飞行时间，节省燃料。
比如从纽约到柏林的飞行时间比柏林到纽约的时间要少1小时。
∙在两极地区（南北60度到两极点之间）是极地环流风。
极地附近，东风占主要地位。
周六,2007-09-2908:
58—qinshuguo
对流风由地表的局部效应（主要是温差和地貌高低差）引起空气质量运动。
其中最重要的对流风是海陆对流风、山脊山谷对流风以及下降风。
海陆对流风
海陆对流风是由于陆地温度升降比海洋更快引起。
海陆对流风的生成：
1.气压平衡。
海洋和海岸之间没有压力差、风及热能环流。
2.阳光让一部分区域迅速升温。
海洋的比热容大于陆地（水的升温速度比岸边要慢2到3倍）。
陆地上的气温比海面上的要高，热空气的密度比冷空气小，以此温差导致压力差。
3.压力差是不稳定的，并引起空气运动。
空气从高压区向低压区移动（从陆地到海洋）。
在高处，气压差更大，以此空气运动也更剧烈。
4.这一空气运动导致地面空气缺少海面气压上升：
在贴近地面的地方产生了从海洋吹向地面的逆风。
高层空气继续由陆地移向海洋。
5.贴近地面的空气从海洋移向陆地并被加热，海岸的热空气又在海洋上方被冷却。
这样就产生了环流。
阳光越强烈，海陆对流风就越强。
这一循环在岸边升温时一直持续，直到阳光强度减弱，热供应减少为止。
6.夜晚，这一循环逆向发生。
岸边上空的空气冷却后经水加热上升。
上述原理正好反过来，地面上风由陆地吹向海洋，但晚上的循环要比在白天微弱的多。
山脊山谷对流风
插图:
山脊山谷对流系统:
左:
山谷风（中午）;右：
山脊风（夜里）
在山脉地区也存在类似的热循环系统，最常见的就是斜坡风和山脊山谷对流风互相影响或者叠加作用。
太阳升起的时候，山坡上的空气受到照射而变热上升。
接着，随着太阳高度的变化，山谷的空气也受热流动并替代了斜坡上升的空气。
通过山谷空气的补偿，斜坡上就会不断形成向上的风。
相反，晚上的时候由于地表温度下降快，导致斜坡地表的空气降温比同高度的空气速度快。
在重力的作用下，冷空气下降，形成山脊风。
山脊风在山谷的出口附近尤其明显。
下降风
下降风是在空气质量流经山脉的时候形成的。
下降风分成两类：
冷下降风和热下降风。
∙冷（katabische或者katabatische）下降风:
插图:
Groeningland的Katabischer风
katabischer（或者katabatischer）风是一种由于太阳照射导致热空气大面积挤压冷空气而产生的下降风。
冷空气（而且密度较高）从山脉高处下降流入平地的热空气中，这种变化十分突然，风速会很快由微风变成暴风。
（风速高于120km/h）
拜人东部的波西米亚风和危险的克罗地亚海岸寒流就属于katabatischer风。
∙热下降风（焚风）:
插图：
阿尔卑斯山的焚风
当风吹过山脉的时候，空气会随着山坡上升，同时温度下降。
由于冷空气蓄水能力比热空气低，导致空气上升变冷的同时形成积雨云并降水。
所以面向风的一面山坡天气总是比背风的一面差。
经过“干燥”的风吹过了山顶之后，在另一面下降，受到很大的空气压力的影响后变强变热。
由于此时空气中的含水量比较低，空气变热的速度要高于在面风面降温的速度：
大概每下降100米，温度就上升1度。
焚风的温度可以在几个小时之内达到30度。
这就是为什么背风坡的温度要高于面风坡，而风的温度也由于空气湿度影响而在吹过山头之后高于过山头之前。
全世界
图1：
全球风速分布图（NASA）
太阳自45亿年以来，不断的以光和热的形式输送能源，每秒钟达470亿千瓦时（kWh）。
通过地球的温度和湿度差以及地球自转，大约有12亿千瓦时，折合2，5%的太阳能被转化成风能。
假设风平均在每公里的地表面积上带来6000MW的功率，那么全世界一年的可用风能就能够达到20万TWh。
（编辑按：
1MW=1000kW,1GW=1000MW,1TW=1000GW）这大概相当于目前全世界电能消耗总量的2倍。
从全球风速图上可以看出，在海滨以及高山的周边地区，可利用的风能资源十分丰富。
欧洲地区
图2上的紫色区域表示风力最强的地区，蓝色区域表示风力最弱的地区。
很显然，在朝向大西洋的西海岸和朝向北海的北海岸是全欧洲风力分布最强的地区。
图2：
西欧平均风速分布图[Risoe]
英国由于地理位置得天独厚而成为整个欧洲风能可用资源最多的国家。
法国则因为国土面积大，海岸线长居第二位。
法国在地中海沿岸的地区，由于山脊风（阿尔卑斯山）的作用，风力资源特别的丰富。
流动的空气在山区地形的作用下会由于通道拥挤而加速，这样就累积成很高的风速。
这种现象被成为“喷嘴效应”。
当然，需要注意的是，这张风速分布图是以假设出的平均海拔为前提绘制的，也就是说，没有考虑任何的地表阻碍物、地表的粗糙度以及地貌所带来的影响。
所以，即便是地图上标注风力很弱的地区，也会有风力很强的地点（比如山丘顶上）；反过来在地区上标注风力很强的地区，也会有事实上风力很弱的地点（比如高大建筑物的背后或者防风带的背后）。
德国
图3：
德国由北向南风力剖面图
图3显示的是德国北海和祖格峰（德国境内的最高峰，属阿尔卑斯山脉）之间风力分布状况。
越往北或者地势越高，风力就越大：
北海上测得的平均风力为10m/s，北海边6-8m/s，下萨克森平原4-5m/s，中部丘陵地区5-7m/s（包括哈尔茨，图林根林带，爱尔次山区，拜人林带以及黑森林地区等）。
在某些山峰地区，如Brocken,KahlerAsten,Wasserkuppe,Feldberg等地区，风速为7-10m/s,但拜人州的防风带，风速仅为3-5m/s。
图4：
德国平均风速分布图[DWD]
这张是地表平均风速分布图，跟前面提到的理论风速分布图（忽略地表和地貌的影响推算出来的风速分布图）有不少差别。
德国陆地上可以通过建设风电公园加以利用的风能资源大约有128TWh/年。
这大概相当于全德国年耗能量（目前约5090亿千瓦时）的1/4。
海洋风能
图5：
海洋风电公园[Fa.ANWindenergie]
通过建设海洋风能公园可以极大的扩展人们对风力资源的利用。
（将风电设备安装在近海的水域内）
∙相对而言，海洋上的风电设备有很多优势：
“高质量”的风能资源（比内陆风速高而且稳定，方向单一不混乱）
∙几乎没有任何限制的安装场地（内陆要考虑道路、城市、雷达发射站等等）
由于北海和东海上的平均风速很高，而且海洋深度较浅，所以特别适合安装海洋风电设备，建立海洋风电公园。
海洋风力资源的多少跟海水深度以及离海岸的距离有关系，一般来说：
水深10m，距离海岸10公里的地区大概有200kWh；水深20m，距离海岸20公里的地区大概有1300kWh；水深30m，距离海岸30公里的地区大概有2000kWh。
这样计算，通过利用海洋风能，可以解决目前德国耗电总量的一半。
风电在能源供应中的现状
2005年全德国共生产了265亿千瓦时的风电，大约折合5.3%的当年电能消耗总量。
有些地区，比如德国的石荷州、梅前州以及西班牙的Navarra，风电使用量已经达到了总用电量的30%-50%；丹麦的风电占全部耗电量的20%。
在萨克森安哈尔特，勃兰登堡州和下萨克森州，风电占总耗电量的15%-25%。
德国使用可再生能源的总量在5年之内（2000-2005）翻倍，其中风能利用起到了至关重要的作用。
（水力发电大概目前占耗电总量的4%）
接近地面的风由于障碍物和地表粗糙性的影响而减缓风速。
在距离地面5公里左右的大气层中，风速就不受地球表面障碍物和粗糙性的影响了。
介于两层之间的空间，风速随着高度的变化而变化。
这种现象被称为垂直风剪切面。
图:
风速分布示意图
风剪切面受多种因素的影响
其中最重要的一个因素就是粗糙性:
受到地表粗糙性的减速影响，内陆（如城市、森林）风速随着大气层高度的变化而缓慢增加，在某个特定的高度达到极值。
在海洋上，地表粗糙性很低，风速随大气层高度变化的速度也很快。
其他因素，比如风速本身大小或者大气层的温度，也对风剪切面产生影响。
模型:
在气象学中，有许多公式对风剪切面进行描述，并可以计算特定高度上的风速值。
例如不同高度上的风速可以通过海尔曼的潜能公式计算：
其中：
V2是h2高度上的平均风速
V1是基准高度h1的平均风速
h1是基准高度（参考高度，一般选10米）
alpha是高度变化指数
高度变化指数alpha又被称为海尔曼指数。
该指数可以通过测量至少两处不同高度的风速而估测取得，它受地表粗糙性（地表形态，地面植被以及地面建筑等）、风速以及大气层分布的影响而不断变化，一般情况下alpha=0.14。
另外一种表达方式是通过波兰特的对数公式，通过对数可以求得风剪切面的值。
地表粗糙性的影响通过粗糙性长度z0来计算。
参考速度v1是在参考高度h1测量所得。
z0是用于参照的粗糙性长度。
v2就是在高度h2的风速
参照叶片数一节可以知道，风速的剪切面会对风力发电机的负载产生怎样的影响。
地表的障碍物对风的影响很大。
如果说飞机场的跑道对风速的影响很小的话，那么森林、单独的建筑物，建筑物群和其他建筑区域对风速的影响是很显著的。
对风速影响更小的是水平面，它对风产生的减速作用要远远小于草坪或者灌木丛的减速作用。
（参考阻碍物一节）
为了将这种影响量化并表述出来，我们使用“地表粗糙性”这一概念。
地表的阻碍物越大越多，地表的“粗糙性”就越大。
随着粗糙性的增大，风区域性对流和环流增加，而风速则变慢。
（风中所蕴含的能量也减少）
z0
粗糙性长度z0是（以米为单位）用于表示地表状态的尺度，其变化范围为0米（理论上的绝对平面）到2米（高楼大厦林立的大都市）。
粗糙性级别
在风能利用中，为了表达一个地点的风力情况，经常使用的表述方式除了粗糙性长度外，还有粗糙性级别。
0级用以表示海平面，而3到4级用于表示树木丛生或者建筑林立的地区。
0级粗糙性表示水平面：
海平面或者大洋平面
1级粗糙性表示地表阻风物较少的开阔平原或者矮丘陵地带：
草原、飞机场跑道、没有树木的大面积空地等。
单株的树木或者较小的建筑物也可能出现在这类地区。
2级粗糙性地区包括阻风物距离至少1公里、只有单独房子的农业用地。
该类地表的典型特征就是地形开阔，阻风物较多但间隔性分布，可以是平原或者丘陵，有少量的树木和建筑。
3级粗糙性地带包括小村庄、小树林、有较多树木或者建筑的农业用地等。
该类地表的典型特征是阻风物较密集，间距也只有100米左右。
4级粗糙性地区是指高楼林立的大都市，这类地区不适合建风电站。
建模
图：
风电场的粗糙性级别示意图
在风力场建模的时候经常会使用粗糙性地图来显示地表的粗糙程度。
借助这种地图可以为风电机选择最佳的位置进行安装。
总结图表：
粗糙性级别
粗糙性长度
能量索引（百分比）
地表特征、类型
0
0,0002
100
水平面：
海或者大洋
0,5
0,0024
73
平整的开阔地表，比如水泥面、飞机场跑道、割过的草地等
1
0,03
52
没有栅栏或其他阻风物的开阔农业用地，可能会有分散性的建筑和矮小的丘陵
1,5
0,055
45
有少量房屋，阻风物不高于8米且间隔距离不少于1公里的农业用地
2
0,1
39
有少量房屋，阻风物高于8米且间隔距离为500米左右的农业用地
2,5
0,2
31
有较多房屋、树木和其他植被，或者阻风物高于8米且间隔距离为250米左右的农业用地LandwirtschaftlichesGeländemitvielenHäusern,BüschenundPflanzen,oder8mhoheHeckenimAbstandvonca.250m
3
0,4
24
村庄、小城市、有大量树木建筑物或者高大阻风物的农业用地、森林和其他地形非常不平整的地区
3,5
0,6
18
拥有高层建筑的较大城市
4
1,6
13
高楼林立的大都市
地貌对接近地表的风有至关重要的影响。
当风气流经过丘陵的时候，如果地表灌木丛的角度不超过10%-20%，那么风流将会在不形成紊流的情况下，自身形成加速效应，这个效应对于风能利用来说，是非常有利的。
图：
地表对垂直方向上风速的影响[EnergiaEolica]
由此表明，单纯的考察跨地区的风力情况，并以此来作为建风电站的理由，是不充份的；地区的风力变化也必须的精确的测量并加以参考。
图：
某风电场的高度和风速变化图
旁边的图上很清楚的显示了高度对风速的影响。
背景颜色表示平均风速，等高线距离为10米，红色的表示安装风电机的地区。
可以看到，风速随着等高线的变化而变化，地面越高，风速越大，风中所携带的能量也就越多。
所以在平原上安装风电机，总是能装多高就装多高。
背风区是指风速受到地表障碍物的影响而相对下降的地点。
除了地表形状和结构影响风速之外，地表的障碍物，例如房屋、树木、围墙或者森林等，也会对风速产生影响。
图：
风速在障碍物后减少的百分比示意图[Risoe]
坡度较大的丘陵（超过20%）也和地表障碍物一样，会造成紊流风和减缓风速。
图：
地貌对风速和紊流风的影响
障碍物对该障碍物后形成背风区的影响跟以下几个方面有关
∙障碍物和后面背风区内参考点的距离（x）
∙障碍物的高度（h）
∙背风区内参考点的高度（H）
∙障碍物的长度（L）
∙障碍物的透风性（P）
∙障碍物和参考点之间地表的粗糙度（粗糙长度z0）
综上所述，障碍物越大、越高、离参考点越近，则对风产生的影响越大。
透风性是用来描述风通过障碍物（比如一棵树或者一截防护栏）的量的一个值。
一般来说我们认为，建筑物的透风性为0，而单棵树木的透风性约为0.5（也就是说，树木允许风总量的一半通过）。
冬天，树木的透风性增长为0.7。
一排建筑结构相类似的建筑物，建筑物之间的间隔约为建筑物长度的1/3，那么这排建筑物的透风性大约为0.33。
更加复杂的地区可以通过专用的软件来计算透风性和地表粗糙度，并绘制紊流和粗糙性地图。
紊流和阵流
风速永远不会恒定，会随着时间的变化而变化。
阵流和紊流主要是受地理位置和地表粗糙度的影响：
树木和地表障碍物可以产生紊流；海洋上风力比陆地上要稳定的多，其主要原因就是因为海上没有地表障碍物，风可以无阻碍的通行。
有些风（比如极地风）相比较于其他风速度变化十分明显（例如在德国北海岸边），参见韦布分布一文。
风的速度是通过所谓的平均风速vava来测定的，通常选取10分钟时间来测量风速然后加以平均。
这是一个理论数值，这个风速是由紊流和阵流叠加起来形成的。
通过使用平均风速值，可以将某个时间点的风速通过下列公式表达出来：
其中V（t）=风速
Vave=平均风速
Ub（t）=紊流风速
这个速度值随着时间和空间的变化而变化，例如风吹动叶片的时候：
其中：
mittl.Windgeschwindigkeit是平均风速；Turbulenz是紊流；而mittl.Hoehenwindgardient是平均风高坡度线。
图：
风吹动风电机时的风速
紊流形成的原因
紊流主要是由于下面两种原因造成的：
∙热紊流是由于热能交换（温度不同的物质会进行热交换）引起的，因此受到地表温度和空气质量的影响。
∙力紊流是受地貌学（用于描述地表状态）、地表粗糙度和地表障碍物的影响而形成的。
图：
树木后面形成的紊流
形成紊流的程度随着地表粗糙度以及障碍物的增加而增加。
树木和障碍物（建筑物、围墙、栅栏等）可以给风减速并形成紊流，因此海上风电场比陆地风电场的紊流要少很多（因为没有障碍物，地表粗糙度很低）。
与海上相反，山区的风则含有大量的紊流风。
图：
地表气流层
地表会使风减速。
高度越高，地表状态和地表的摩擦阻力对风的影响就越小，风速也就越大（参考高度剖面一节），紊流产生的也越少。
因此风电机的机塔都建的足够高，这样可以使地表对风的影响最小化；也正是这个原因，陆地的风电机机塔设计的要比海洋上风电机机塔高。
风剪切面也与紊流的大小有关，紊流越大，风在垂直方向上形成的剪切面越大。
风电机本身也产生紊流，而且会对后面的风电机产生影响：
也就是所谓的风电场效应或者叫Nachlauf（汉语名词不详，直译为滑行、靠惯性行驶）。
为了使这种风电场效应的影响降到最低，风电场中的风电机应该保持足够远的距离，并尽可能的朝主风向排列成行。
这样可以提高风电场的效率（所谓的风电场作用度），并有效的延长风电机寿命
紊流对风电机的影响
风速长时间的波动会对风电机的功率和发电量产生巨大的影响，而风速短时间波动则会对风电机的负荷产生十分重要的影响。
紊流和阵流对风电机的影响是不同的：
∙紊流影响发电量
图：
紊流对风电机功率的影响[EWEC]
在风速较低的情况（5-9米/秒）下，叶片以额定转速转动，阵流可以起到提高风机效率的作用；而当风速较高（11-14米/秒）的时候，紊流会起作用降低风机的效率，而风机会自行停止运行以启动过载保护系统。
∙紊流和阵流会通过较大的载荷对风电机起负作
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