风能和风力发电技术论文之欧阳育创编.docx

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风能和风力发电技术论文之欧阳育创编

甘肃机电职业技术学院

时间：

2021.02.04

创作：

欧阳育

现代装备制造工程系毕业论文

风能和风力发电技术

姓名：

酸菜

学号：

G1*******

班级：

G142701

年级：

2014级

指导老师：

酸菜

摘要Ⅰ

第1章风力发电的现状背景4

1.1、风力发电的现状4

1.2、风力发电的潜力5

第2章风力发电类型特点7

2.1风力发电特点7

2.2风能发电优缺点7

2.3风力发电结构7

第3章发电机主要类型10

3.1恒速风力发电机10

3.2有限变速风力发电机10

3.3变速风力发电机10

第4章风力发电控制技术12

4.1变桨距风力发电技术12

4.2风力发电系统控制12

4.3不同发电机的比较13

第5章发展趋势建议15

第6章总结16

参考文献17

致谢18

摘要

风能是太阳能的一种转换形式，是一种重要的自然能源。

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。

据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2%转化为风能，但其总量仍是十分可观的。

全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。

风能作为一种无污染、可再生的绿色能源，它对于解决全球性的能源危机和环境危机有着重要的意义。

因此，风力发电成为各国学者研究的重点。

风力发电的原理是利用风带动风车叶片旋转，再通过增速器将转速提高促使发电机发电。

依据目前的风车技术，大约3m/s的微风速度便可以开始发电。

风力发电的原理是最简单的风力风力发电机可由叶片和发电机两部分构成，空气流动作用在叶轮上，将动能转化为机械能，从而推动叶片旋转如果将叶轮的转轴与发电机的转轴相连，就会带动发电机发电，从而产生电能。

关键词：

风能，风力发电；

第1章风力发电的现状背景

自然界的风是可以利用的资源，然而我们现在还没有很好的对它进行开发。

这就向我们提出了一个课题：

我们如何开发利用风能？

自然风的速度和方向是随机变化的，风能具有不确定特点，如何使风力发电机的输出功率稳定，是风力发电技术的一个重要课题。

迄今为止，已提出了多种改善风力品质的方法，例如采用变转速控制技术，可以利用风轮的转动惯量平滑输出功率。

由于变转速风力发电组采用的是电力电子装置，当它将电能输出输送给电网时，会产生变化的电力协波，并使功率因素恶化。

因此，为了满足在变速控制过程中良好的动态特性，并使发电机向电网提供高品质的电能，发电机和电网之间的电力电子接口应实现以下功能：

一，在发电机和电网上产生尽可能低的协波电波；二，具有单位功率因素或可控的功率因素；三，使发电机输出电压适应电网电压的变化；四，向电网输出稳定的功率；五，发电机磁转距可控。

此外，当电网中并入的风力电量达到一定程度，会引起电压不稳定。

特别是电网发生短时故障时，电压突降，风力发电机组就无法向电网输送能量，最终由于保护动作而从电网解列。

在风能占较大比例的电网中，风力发电机组的突然解列，会导致电网的不稳定。

因此，用合理的方法使风力发电机组电功率平稳具有非常重要的意义。

据世界气象组织（WMO）和中国气象局气象科学研究院分析，地球上可利用的风能资源为200亿KW，是地球上可利用水能的20倍。

中国陆地10m高度层可利用的风能为2.53亿KW，海上可利用的风能是陆地上的三倍，50M高度层次可利用的风能是10m高度层是2倍。

风能资源非常丰富。

按照《中国新能源发电发展研究报告》规划，未来新能源发电将快速发展。

其中规划2015和2020年风电装机为别为1亿千瓦和1.8亿千瓦。

相比2011年并网风电4505.11万千瓦，装机容量起码翻倍.

1.1、风力发电的现状

21世纪是可再生能源的世纪，由于风能非常丰富、价格非常便宜、能源不会枯竭，又可以在很大范围内取得，非常干净、没有污染，不会对气候造成影响，因而风力发电具有极大的推广价值。

在中国，风能资源丰富的地区主要集中在北部、西北和东北的草原、戈壁滩以及东部、东南部的沿海地带和岛屿上。

这些地区缺少煤炭及其他常规能源，并且冬春季节风速高，雨水少；夏季风速小，降雨多，风能和水能具有非常好的季节补偿。

另外，在中国内陆地区，由于特殊的地理条件，有些地区具有丰富的风能资源，适合发展风电，比如江西省都阳湖地区以及湖北省通山地区。

目前我国的风能利用方面与国际水平还在一定差距，但是发展很快，无论在发展规模上还是发展水平上，都有很大提高。

据资料显示，2004年全国在建项目的装机容量约150万千瓦，其中正在施工的约42万千瓦，可研批复的68万千瓦，项目建议书批复的45万千瓦，包括五个10万千瓦特许权项目。

风电和水电具有不同步发生规律，风力发电高峰处于秋季与冬季，水利发电高峰期处于春季和夏季，风电和水电具有季节性特性，可实现季节性互补；风力发电是环保型可再生能源，可改善电源结构，替代一部分火电容量，节约煤炭，减少污染，保护环境。

据初步测算，目前风电场造价成本约为8000～9000元/KW，机组（设备）占75%左右，基础设施占20%，其它占5%。

风能利用小时数在2700～3200小时，其风电成本约0.45～0.6元/千瓦时。

1.2、风力发电的潜力

长期以来，由于风电电价高于火电电价，作为清洁能源的风电对于解决能源短缺和环境保护问题的意义长期得不到应有的重视。

事实上，风电作为一项高新技术，具有着巨大的产业前景。

而它作为新兴能源，更对促进边远地区经济发展有着巨大的作用。

在电力紧张、能源紧缺的情况接踵而至的今天，我国应该重新认识风能的利用问题。

首先，风力发电的潜力体现为风电电价的快速下降。

截止到目前，风电电价正在快速下降，甚至已日趋接近燃煤发电的成本，经济效益开始凸现。

数据显示，风力发电能力每增加一倍，其成本就下降15％。

纵观近几年，风电增长一直保持在30％以上，因而成本也正随之不断下降。

目前，中国风电成本约在0.5元以上，随着中国风力发电装机的国产化和发电的规模化，风电成本可望再降。

此外，风电外部成本几乎为零，甚至低于核电成本。

据初步测算，如果将内部成本和外部成本同时计入成本，风电将是当前世界上最经济、最洁净的能源。

其次，风电的潜力体现于风能资源的丰富性。

据初步统计、中国陆地10米和海面15米可供开发的风力资源在几亿千瓦以上，相当于可开发水能资源（3.9亿千瓦）的2.5倍。

而50米风力资源还会增大一倍。

根据现有技术，地面50－100米的风力资源都可开发利用。

2003年，我国发电装机容量为3.85亿千瓦，专家认为，中国单靠风力发电就能将现有的电力生产翻一番。

此外，风电技术正日臻成熟。

随着科学技术的发展，风电技术已经相当成熟。

更大型、性能更好的机组的已开发并投人生产试运行，可利用的风速要求还会降低。

再者，风电工程的建设工期短，见效快。

火电、水电的建设工期需要用年来计算，而在有风场数据的前提下，风电项目只需要以周、月来计算。

风场建设在短时间内即可完成，能够解决我国电力短缺的燃眉之急。

1.3、发展风电的重要性

风电产业要全面健康可持续发展，需要解决的问题很多，但依靠科技进步来推动风电产业是摆在我们面前的现实课题。

首先，需建立以企业为主体、市场为导向、产学研技术结合的创新体系。

对开展试点的企业应对其研发机构，研发人员，研发资金，研发项目，专利申请，产品品牌，能力建设等方面提出具体要求和量化的指标。

第二，正确处理技术引进和技术创新的关系。

采用自主研究开发和引进消化国外技术相结合的方式，是实现提高竞争能力的较好途径。

第三，加强风电创新能力建设，建立风电公共技术服务平台，共同对资源进行整合、共享、完善和提高，通过建立共享机制和管理程序逐步做到资源有效利用。

第四，加速风电技术人才培养。

目前已有一些高等院校准备设置风能专业或者风能专业方向，开设风能课程培养本科生和研究生。

除了学校培养人才外，企业也应将人才培养和建立一支高素质的队伍放在战略地位，特别需要建立激励机制和创造良好的环境，使技术队伍能够稳定地成长。

中国风电行业发展比较迅速，但与国际风电行业的发展水平还有很大差距，国内的风电设备主要依靠进口，对外依赖性强，虽然风电成本已下降很多，但相比火电成本的优势在短期内并不会明显突出，风电行业的发展还有很多的阻碍因素。

现在，风能发电成本已经下降到1980年的1/5。

随着技术进步和环保事业的发展。

第2章风力发电类型特点

一.风力发电机主要类型

根据风力发电机的运行特征,风力发电机可分为恒速风力发电机（Fixedspeedgenerator）、有限变速风力发电机（Limitedvariablespeedgenerator）和变速风力发电机（Variablespeedgenerator）.

2.1风力发电特点

（1）风能是取之不尽，用之不竭的清洁，无污染，可再生能源。

用它发电十分有利。

与火力发电、燃油发电、核电相比它无需购置燃料，也无需支付运费更无须对发电残渣，大气进行环保治理。

（2）风力发电有很强的地域性。

它必须建在风力资源丰富的地方。

即风速大，持续时间长，风力资源量大的地方。

如新疆达板城、年平均风速6.2米/秒，内蒙古辉腾锡勒，年平均风速7.2米/秒，江西潘阳湖，年平均风速7.6米/秒，河北张北，年平均风速6.8米/秒，辽宁东港6.7米/秒，广东南澳，年平均风速8.5米/秒等。

在我国这样的地方还有许多在等我们发现探索。

（3）风的季节性，决定了风力发电在整个电网中所处的地位，对它使用有三种运行方式：

A能源利用：

风力发电机，机群并网运行。

有风发电，电能送人电网，无风发电。

B无电网的高山、海盗、牧区：

风力发电机与柴油发电机并网运行。

有风时风力发电，无风时柴油发电，二者并用。

2.2风能发电优缺点

优点：

1.建造风力发电厂的费用低廉，且基建周期短；2.可再生永不枯竭，无需任何燃料，除常规保养外，无其他任何消耗。

3.清洁，环境效益好。

风力是一种清洁的自然资源，没有较多污染问题。

4.装机规模灵活，易于建设。

缺点：

1.发电噪声较大、视觉污染大、2.占用大片土地;3.发电的不稳定性和可持续输出性较大。

4.影响自然界中鸟类对的栖息和生长。

2.3风力发电结构

风力发电机组由风轮、传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电机、控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组成。

该机组通过风力推动叶轮旋转，再通过传动系统增速来达到发电机的转速后来驱动发电机发电，有效的将风能转化为电能。

（1）叶片叶片是吸收风能的单元，用于将空气的动能转换为叶轮转动的机械能。

叶轮的转动是风作用在叶片上产生的升力导致。

由叶片、轮毂、变桨系统组

成。

每个叶片有一套独立的变桨机构，主动对叶片进行调节，叶片配备雷电保护系统。

风机维护时，叶轮可通过锁定销进行锁定。

（2）变桨系统通过改变叶片的桨距角，使叶片在不同风速时处于最佳的吸收风能的状态，当风速超多初出风速时，使叶片顺浆刹车。

（3）齿轮箱将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机，并使其得到相应的转速。

（4）发电机将叶轮转动的机械动能转换为电能的部件。

明阳1.5s/se机组采用是带滑环三相双馈异步发电机。

转子与变频器连接，可向转子回路提供可调电压。

（5）偏航系统采用主动对风齿轮驱动形式，与控制系统相配合，使叶轮处于迎风状态，充分利用风能，提高发电效率。

同时提供必要的锁紧力矩，以保障机组安全运行。

（6）轮毂系统轮毂的作用是将叶片固定在一起，并且承受叶片上传递的各种载荷，然后传递到发电机转动轴上。

轮毂结构是三个放射型喇叭口拟合在一起的。

（7）底座总成主要有底座、下平台总成、内平台总成、机舱梯子等组成。

通过偏航轴承与塔架相连，并通过偏航系统带动机舱总成、发电机总成、变桨系统总成。

MY1.5s/se型风电机组主要组成参数：

机组：

额定功率：

1500kw

启动风速：

3m/s

停机风速：

25m/s

额定风速：

10.8/11.3m/s

叶轮：

叶轮直径：

82.6m

扫掠面积：

5316m

叶轮速度：

17.4rpm

叶轮倾角：

5

叶片长度：

40.25m

叶片材质：

玻璃纤维增强树脂

齿轮箱：

额定功率：

1663kw转速比：

100.48

发电机额定功率：

1550kw发电机额定电压：

690v

第3章发电机主要类型

3.1恒速风力发电机

采用了笼型异步发电机,发电机通过变压器直接接入电网.因为笼型异步发电机只能工作在额定转速之上很窄的范围内,所以通常称之为恒速风力发电机.并网运行时,异步发电机需要从电网吸收滞后的无功功率以产生旋转磁场,这恶化了电网的功率因数,易使电网无功容量不足,影响电压的稳定性.为此,一般在发电机组和电网之间配备适当容量的并联补偿电容器组以补偿无功.由于笼型异步发电机系统结构简单、成本低且可靠性高,比较适合风力发电这种特殊场合,在风力发电发展的初期,笼型异步发电机得到了广泛的应用,有效地促进了风电产业的兴起.随着风力发电应用的深入,恒速笼型异步发电机具有的一些固有缺点逐步显现出来,主要是笼型异步发电机转速只能在额定转速之上1%~5%内运行,输入的风功率不能过大或过小,若发电机超过转速上限,将进入不稳定运行区.因此,在多数场合需将2台分别为高速和低速的笼型异步发电机组合使用,以充分利用中低风速的风能资源.另外,风速的波动使风力机的气动转矩随之波动,因为发电机转速不变,风力机和发电机之间的轴承、齿轮箱将会承受巨大的机械摩擦和疲劳应力.而且,由于风力机的速度不能调节,不能从空气中捕获最大风能,效率较低.齿轮箱的存在增加了风力机的重量和系统的维护性,影响了系统效率,增加了噪声.

3.2有限变速风力发电机

有限变速风力发电机,发电机采用绕线式异步发电机.绕线式异步发电机转子外接可变电阻,其工作原理是通过电力电子装置调整转子回路的电阻,从而调节发电机的转差率,使发电机的转差率可增大至10%,实现有限变速运行,提高输出功率.同时,采用变桨距调节及转子电流控制,以提高动态性能,维持输出功率稳定,减小阵风对电网的扰动.然而,由于外接电阻消耗了大量能量,电机效率降低了.有些文献也把这种发电系统称为高转差率异步发电机系统.

3.3变速风力发电机

有刷双馈异步发电机.

由双馈异步发电机（Doublyfedinductiongener2ator,DFIG）构成的变速恒频控制方案是在转子电路实现的,如图5所示.流过转子回路的功率是双馈发电机的转速运行范围所决定的转差功率,该转差功率仅为定子额定功率的一小部分.一般来说,转差率

为同步速附近30%左右,因此,与转子绕组相连的励磁变换器的容量也仅为发电机容量的30%左右,这大大降低了变换器的体积和重量.采用双馈发电方式,突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念,使原动机转速不受发电机输出频率限制,而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响,变机电系统之间的刚性连接为柔性连接.相对于绕线式发电机,双馈发电机的转子能量没有被消耗掉,而是可以通过变换器在发电机转子与电网之间双向流通.变换器可以提供无功补偿,平滑并网电流.正是DFIG具有上述优点,目前大多数大可变速风力发电系统都采用这种方式,例如Ves2tas,Gamesa,GE,Nordex等公司都有此类产品.但其

控制系统也相对复杂,尤其是双向变换器的DFIG励磁控制技术和双向并网发电控制技术,对于DFIG系统而言,是至关重要的难点之一.双馈发电机系统具有的缺点:

存在多级齿轮箱及滑环、电刷,不可避免地带来摩擦损耗,增大了维护量及噪声等;在电网故障瞬间,骤然变大的定子和转子电流要求变换器增加保护措施,增大了软硬件投入,而且大的故障电流增加了风力机的扭转负荷.

第4章风力发电控制技术

由于自然风速的大小和方向的随机变化，风力发电机组切入电网和切出电网、输入功率的限制、风轮的主动对风以及对运动过程中故障的检测和保护必须能够自动控制。

风力发电系统的控制技术从定桨距恒速运行至基于变桨距技术的变速运行，已经基本实现了风力发电机组从能够向电网提供电力到理想地向电网提供电力的最终目标。

4.1变桨距风力发电技术

定桨距风力发电机组于20世纪80年代中期开始进入风力发电市场，主要解决了风力发电机组的并网问题、运行安全性与可靠性问题。

采用了软并网技术、空气动力刹车技术、偏行与自动解缆技术。

桨叶节距角在安装时已经固定，发电机转速由电网频率限制，输出功率由桨叶本身性能限制。

当风速高于额定转速时，桨叶能够通过失速调节方式自动地将功率限制在额定值附近，其主要依赖于叶片独特的翼型结构，在大风时，流过叶片背风面的气流产生紊流，降低叶片气动效率，影响能量捕获，产生失速。

由于失速是一个非常复杂的气动过程，对于不稳定的风况，很难精确计算出失速效果，所以很少用在MW级以上的大型风力发电机的控制上。

从空气动力学角度考虑，当风速过高时，可以通过调整桨叶节距、改变气流对叶片攻角，从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，使输出功率保持稳定。

采用变桨距调节方式，风机输出功率曲线平滑，

在阵风时，塔筒、叶片、基础受到的冲击较失速调节型风力发电机要小很多，可减少材料使用率，降低整机重量。

其缺点是需要～套复杂的变桨距机构，要求其对阵风的响应速度足够快，减小由于风的波动引起的功率脉动。

4.2风力发电系统控制

风力发电系统的控制策略根据控制器的不同可分为两大类：

以数学模型为基础的传统控制方法和模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的智能控制。

由于空气动力学的不确定性和电力电子模型的复杂性，使风电机组成为一个复杂多变量非线性系统，具有不确定性和多干扰等特点，致使风力发电系统很难用数学模型来描述，所以传统控制方法在风力发电系统中不适用。

由于智能控制可充分利用其非线性、变结构、自寻优等各种功能来克服系统的参数时变与非线性因素，因此各种智能控制方案于近几年被开始应用于风电机组控制领域。

模糊控制

模糊控制是一种典型的智能控制方法，其最大特点是将专家的经验和知识表示为语言规则用于控制。

它不依赖于被控对象的精确数学模型，能克服非线性因素影响，对被调节对象的参数具有较强的鲁棒性。

由于风力发电系统是一个随机性的非线性系统，因此模糊控制非常适合于风力机的控制。

模糊控制在发电机转速跟踪、最大风能捕获、发电机最大功率获取以及风力发电系统鲁棒性等方面取得了较好的控制效果。

笼型异步发电机可采用模糊控制器跟踪发电机转速以实现最大空气动力效率、计算轻载时磁链以实现发电机一逆变器效率优化、实现发电机速度控制的鲁棒性，可根据功率偏差及其变化取得在额定风速以下运行时的最大功率。

变速恒频无刷双馈风力发电系统

采用自适应模糊控制模型，可实现较好的鲁棒性和抗干扰能力，并且利用模糊控制可实现最大风能捕获并改善系统稳定性。

大部分文献采用的是简单模糊控制器，主要缺点是控制精度不高，会出现稳态误差，

需要专家知识，缺乏自适应能力。

神经网络控制

人工神经网络具有可任意逼近任何非线性模型的非线性映射能力，利用其自学习和自收敛性可作为自适应控制器。

在风力发电系统中，神经网络可以用来根据以往观察风速数据预测风速变化等方面。

变桨距风力发电系统中可采用神经网络控制器通过在线学习并修改．特性曲线，实现风能的最大捕获并减小机械负载力矩，根据风速数据和风力发电机动态特性可建立神经网络参考自适应控制模型。

基于数据的机器学习是现代智能技术中的重要方面，研究从观测数据出发寻找规律，利用这些规律对未来数据或无法观测的数据进行预测，来对工业过程进行有效控制。

这些学习方法包括模式识别、神经网络、支持向量机等。

在风电系统中，可从运行机组获取大量重要数据，以对机组的动态特性和性能进行研究。

因此，将上述基于数据驱动的机器学习方法与风能转换系统的控制相结合，是解决风机控制问题的重要途径之一。

4.3不同发电机的比较

年能量利用率和经济性的对比分析

经济成本是制约风力发电技术推广的一个重要因素.对于风电机组特别是大型发电机组来说,其整个成本包括投资成本和运行成本.投资成本又分为风电机组成本、选址和安装成本、包括银行信贷在内的融资成本以及项目初期的计划和施工等杂项费用.运行成本也可以分为风电机组运行和维修成本、保险成本、土地成本及项目管理成本.由此可见,风电机组的成本问题涉及很多因素.目前,全球建设风力发电的造价大约为1000美元/kW,我国风力发电的初始投资从1994年的约12000元/kW降低到8000~9000元/kW.这个费用约为煤电单位造价的2~2.5倍,但是考虑到生物质能发电成本是煤电的2.5~3倍,太阳能发电成本是煤电的11~18倍,以及减少环保投入、降低能源损耗、舒缓运输压力等方面问题,风力发电比其他新型发电方式的优势更多.当前在风力发电的商业市场上占统治地位的毫无疑问双馈感应发电机和多级增速齿轮概念.但通过以上综合比较可以看出,永磁直驱发电机有望逐渐成为大型风力发电机组的主流,并与DFIG风力发电机组竞争.尤其是针对海上风电场来说,体积巨大的直接驱动风力发电机并不会明显增加运输和吊装方面的难度.基于全功率变换器的变速风力发电系统能够更有效地处理例如低电压穿越等问题,另外,海上风电场对风力发电机组的可靠性和可维护性要求更高,因此直接驱动概念或将首先在海上风电场获得大规模的应用.

第5章发展趋势建议

加强智能电网建设、发电企业和电网公司规划沟通协调。

智能电网通过数码技术提高电网的稳定性及效率，可以应用在所有相关产业链，是新能源产业战略的核心之一。

电网公司和发电企业必须要加强合作，探讨电网建设滞后和风力发电超前的问题。

按照风电直供或者非并网解决风电并网难问题。

加大对风机的技术研发的支持，解决风机制造企业的低技术重复建设问题，加大重组的推动。

淘汰落后的产能。

公司要积极通过与主要零部件供应商谈判等多种方式，适当降低公司的采购成本并争取取得较为宽松的付款方式。

公司可以通过与供应商加强沟通，建立稳定持续的供货关系。

未来的趋势是风机制造企业需要通过并购、或者自己建立一些关键零部件的生产企业，这样，就能够消除原材料供应对企业发展的掣肘。

企业需要考虑在现在国家提倡行业企业做大做强，提高竞争力的前提下，加快纵向一体化的步伐。

风机制造企业可以适当的向风电场的建设等下游市场建立发展，规避一定的风机需求市场波动的风险。

目前的风机制造企业主要是只负责风机的制造，并向这些国内的大型风力发电企业供应。

目前主要是这种三方合作模式，即地方政府、电力企业风机制造企业可以适当的向风电场的建设等下游市场建立发展，规避一定的风机需求市场波动的风险。

目前的风机制造企业主要是只负责风机的制造，并向这些国内的大型风力发电企业供应。

目前主要是这种三方合作模式，即地方政府、电力企业场开发进行股权投资，这样，既能有利于产品销售，又能在一定程度上分散风险积极引导风电企业在不同领域进行合理布局。

风电开发要本着抓大不放小的原则。

在大力发展大型风电场和大型风力机的同时，不要放弃小型风力机的开发。

离网型小型风力机是解决高山、牧民用电的重要手段之一。

尽管它不会产生较大的经济效益，但会带来较大的社会效益，对减少贫困、发展经济、和谐社会大有益处，在贫困以及边远山区仍然有着较广的发展前景。

第6章总结

现今调整能源结构、减少温室气体排放、缓解环境污染、加强能源安全已成为国内外关注的注重话题，我国也对可再生能源的利用，特别是风能开发利用也给予高度重视。

我国风能总量约为42亿千瓦，技术可开发量为3亿千瓦。

目前东南沿海是最大风能资源区，风能密度为200w/m2—300w/m2大于6m/s的