风能利用发展研究现状

风能利用发展研究现状

摘要：2019年11月《科学》杂志提出全球风能研究面临三大挑战：第一个挑战是要更好地了解大气中的风力环境；第二个挑战是解决巨型风机的旋转机械结构和系统动力学；第三个挑战是设计和运营风力发电厂，使其以支持和促进电网的可靠性和弹性；三大挑战推动风能创新成为全球低成本的主要发电来源之一。本文在介绍风能资源的概念及特点的基础上，重点论述风能的主要利用形式——风力发电的分类、定义及原理、国内外现状等角度阐述。

关键词：风能；风力发电；发展现状

进入21世纪以来，随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，人类对能源需求量日益加大，地球积攒50万年历史的能源资源正在被慢慢消耗殆尽。以科技快速发展，以风能为主要清洁能源的新能源得到不断的开发，风力发电在世界各国的发展速度也在加快。

一、风能概述

风包括自然风和人造风，一般定义的风是自然风，是地球上的一种普遍的自然现象。风形成的原因是太阳辐射产生的热能引起来的。由于地球表面不同地方所受到太阳辐射的均匀程度不同，导致各地气温和空气中水蒸气含量有差异，进一步由于气压差引起大气对流，当大气对流运动时就会产生风。风能是具有一定质量的空气因流动而产生的动能，风能是太阳能诸多方式转换形式的一种，是一种清洁可利用的非水可再生的新能源。相对于太阳能、核能、地热能、水能、氢能等能源，由于风能在发展上呈现出生产规模不断扩大、转化效率相比优势明显、技术发展速度快等优势，以至于能够满足资源开发的需求。风能成为具备很好发展前景的朝阳产业，全球风能发电行业快速发展，产能不断增加，中国风电产能也紧跟其后，目前我国已经成为在全球范围内风力发电产能增长最快的国家。

二、风能资源特点

风能资源及风力发电主要包括陆地和海洋两种方式，我国目前主要开发利用的是陆地风能资源及其开发方式，风能资源除有其他各种能源的共同优势之外，也有自己得天独厚的特点。

1.优势

（1）蕴藏量巨大。根据国家气象局第3次风能资源普查结果，中国陆地上离地面10米高度处风能资源总储量达43.5亿kW，技术可开发量约为2.97亿千瓦，技术可开发面积约20万；国家气象局2007年采用数值模拟技术，对风功率密度大于等于400的区域进行计算，得出我国离地面高度50m处风能资源理论可开发量26.8亿千瓦，理论可开发面积54万，我国风能资源技术可开发量（万千瓦）和潜在技术可开发量（万千瓦）如图1所示。众所周知的是全球水能资源蕴藏量巨大，但地球上可开发利用的风能资源是其数10倍。即使是传统常规能源能源如煤炭，通过燃烧获得的能量不足同一时间风能提供给全球的1%。

图1 风能资源可开发量和潜在可开发量图2 风能资源理论蕴藏量（万千瓦）

（2）分布广泛。我国风能资源分布总体趋势呈现“北多南少”，我国东北、华北、西北，地势较为平坦，风能资源丰富；东南沿海受台湾海峡影响，相较于西部内陆地区风能资源丰

富；西部内陆地区由于河谷、山区、湖区的存在，形成片状、点状的风能资源丰富区，其中

青藏高原尤其突出。风能资源理论蕴藏量如图2所示。

（3）清洁、无污染。相比于常规的煤炭、石油等传统能源，一是由于风能本身是清洁

能源，二是风能利用和其转换技术均是清洁、无污染的，使用过程中不会产生温室气体和环

境污染物。

（4）可再性、可持续性。由于太阳能具有取之不尽，用之不竭的特点，换言之，只要

太阳能存在，风能就会存在。

2.劣势

（1）风能密度高低分布，开发利用具有低效性。风能密度是决定风能大小的重要因素，与空气密度关系密切，空气密度小则风能密度下。效风风能密度是能够使风能设备运行且不

破坏风能设备的有效风能大小。若在同一区域内获得较高密度的风能，需要占用较大的土地

面积建设大规模风电场。

（2）风能资源具有间歇性、不稳定性。即使在风能资源丰富区，风能的大小、方向每

天每月都会持续变化，导致风力发电具有非常大的不稳定性。由于其不可预测，在建设风电

场时需要增加调峰电源，在一定程度上加大建设成本。

（3）风力发电具有不可控性。风能利用不同于火电、水电相对可控，由于其不稳定不

能直接上网运行，但目前我国规模、低成本的储存电能技术仍不成熟。

（4）风力发电设备可能会产生噪声污染，影响周围的鸟类或者其他动物的栖息环境。

三、风能主要利用形式——风力发电

1.风能主要利用形式分类

风的利用形式悠久，主要方式包括风力作为机械动力和将风能转换为电能两种。（1）

第一种是直接将风提供的机械能作为动力，利用风力作为动力带动各种机械装置正常运行，

比如清选谷物、风帆助航、提水灌溉、风能制热等，这是较早期人类利用风能的主要形式，

也是风能利用的一般形式。（2）第二种是将风能转换为机械能，再将机械能转换为电能，

即风力发电。风力发电可以给各种电力设备提供动力能源。这是现代风能资源最主要、最有

效的利用形式。本文主要对第二种利用方式风力发电进行论述。

2.风力发电的定义及原理

风力发电是指利用风力驱动发电装置风轮机转动，从而实现将风所具有动能转化为机械

能后再转换成电能的过程。风力发电具体原理是利用风为推动风轮机的外部叶片转动，再通

过风机内部的变速箱和调速构造部件把转速进行放大提升到发电机的额定转速，从而促使发

电机正常发电。就现今风电技术水平，只要风速达到３m/s的微风水平便可使风电设备运行，从而进行电力生产。风力发电在目前用于发电的诸多非水可再生能源中，是技术最成熟、最

具规模化、商业化开发条件和发展前景的一种发电方式，将成为目前及未来发展的重点领域。

3.国内外风能发展及风力发电现状研究

目前风能最主要、最有效的利用方式是风力发电。早在1891年，国外已经开始进行风

能资源开发利用，丹麦建立了世界上第一座实验性风力发电站，到2014为止，丹麦本国电

力需求近三分之一由风电提供，预计在2020年可达50%。德国与西班牙两国的风电产能占

比超过欧盟总风电产能的七成，领先欧盟各国。美国在经历1990年代的沉寂以后，之后迅

速发展成为全球最大的风电市场之一，仅在2005年风电就成为次于天然气电的第二大新能

源动力来源。风能经过很多年的发展，装机容量在不断增加，从产能信息网得到最近十多年