中国风能资源贮量

文章编号:0254-0096(2001)02-0167-04

中国风能资源贮量估算

薛　桁,朱瑞兆,杨振斌,袁春红

(中国气象科学研究院,北京100081)

摘　要:为了解决了我国风能资源贮量到底有多大这一基本背景问题,根据全国900余个气象台站实测资料作出的多年年平均风能密度分布图,首次完整细致地估算出各省及全国离地面10m高度层上的风能资源储量,我国的风能资源总贮量为32.26×1011W,实际可开发量为2.53×1011W。从而从理论上进一步证实了我国风能资源具有巨大的开发潜力。

关键词:风能资源;风能密度;风能贮量;中国

中图分类号:TK81 文献标识码:B

0　引　言

为了决策风能开发的可能性、规模和潜在能力,对一个地区乃至全国的风能资源贮量的了解是必要的。风能资源的贮量取决于这一地区风速的大小和有效风速的持续时间。

风能利用究竟有多大的发展前景,对它的总贮量就需要有一个宏观的估计。

对全球风能贮量的估计早在1948年曾有普特南姆(Putnam)进行过估算,他认为大气总能量约为1014MW。这个数量得到世界气象组织的认可,并在1954年世界气象组织在它出版的技术报告第4期“来自于风的能量”专集中(W MO,T.N,No.32,1954)进一步假定上述数量的1千万分之一是可为人们所利用的,即有107MW为可利用的风能。它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。然而阿尔克斯(von Ar x.W.S., 1974)[1]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,必须跟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能为106MW。即使如此,可利用风能的数量仍旧是地球上可利用水力发电量的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。古斯塔夫逊(M.R.Gustavson,1979)[2]从另一个角度推算了风能利用的极限。他认为,风能从根本上说是来源于太阳能,因此可以通过估算到达地球表面的太阳辐射有多少能够转变为风能,来得知有多少可利用的风能。据他推算,到达地球表面的太阳能辐射流是1.8×1017W,即350W/m2,其中转变为风的转化率η=0.02,可以获得的风能为3.6×1015W,即7W/m2。在整个大气层中边界层占有35%,也就是边界层中能获得的风能为1.3×1015W,即2.5W/m2。较稳妥的估计,在近地层中的风能提取极限是它的1/10,即0.25W/m2,全球的总量就是1.3×1014W。他估算了美国在大气边界层范围内风能获得量为2×1013W,而可以被提取利用的量是2×1012W,相当于美国发电总装机容量的3倍。我国目前发电总装机容量约28×1010W,因此即使利用风能可提取量的1/100,那也将是一个非常可观的能量来源。

1　风能的估算

1.1　风能公式

风能的大小实际就是气流流过的动能,因此可以推导出气流在单位时间内垂直流过单位截面积的风能即风功率为:

W=

1

2

ρv3(1)式中ρ———空气密度,kg/m3;v———风速,m/s; W———风功率,W/m2,此即惯称的风能密度公式。1.2　平均风能密度和有效风能密度

第22卷　第2期2001年4月太　阳　能　学　报

ACTA ENERGIAE SOL AR IS SINICA

Vol.22,No.2

Apr.,2001

收稿日期:2000-04-10

由于风速是一个随机性很大的量,必须通过一段时间的观测来了解它的平均状况。因此在一段时间内的平均风能密度,可以将风能密度公式对时间积分后平均,即

W=1

T

∫T01

2

ρv3d t(2)

W即该时段的平均风功率密度,即习称的平均风能密度[3]。

对于风能转换装置而言,可利用的风能是在“起动风速”到“切出风速”之间的风速段,这个范围的风能即通称的“有效风能”,该风速范围内的平均风功率密度即“有效风功率密度”,即习称的“有效风能密度”,其计算公式为:

W e=∫v2v

11

2

ρv3P′(v)d v(3)

式中v1———起动风速,v2———切出风速,P′(v)———

有效风速范围内风速的条件概率分布密度函数,其

关系[4]:

P′(v)=

P(v)

P(v1≤v≤v2)

=P(v)

P(v≤v2)-P(v≤v1)

(4)

1.3　利用气象观测资料计算风能潜力

根据风的气候特点,过短的观测资料不能准确

反映该地的风况,必须有足够长时间的观测资料才

有较好的代表性。一般来说,需要有5～10年的观

测资料才能较客观的反映该地的真实状况。为此,

必须进行数量庞大的资料收集和计算。根据我们实

际大量计算结果检验表明,在计算风能时可以选取

10年风速资料中年平均风速最大、最小和中间的3

图1　全国年平均风能密度(W/m2)分布图

Fig.1　The map of annual total wind power density(W/m2)in China

168

太 阳 能 学 报 22卷

个年份为代表年份,分别计算该3个年份的风能然后加以平均,其结果与长年平均值十分接近。一地的平均风能密度计算式为:

W =∑1

2

N i ρv 3i

N

　(i =1,2,3,…)(5)

式中,v i 为根据观测记录将风速分成的若干个等级值,如0,1,2,3,….m /s ,N i 为相应等级风速v i 的出现次数,即累积小时数,N 为总次数,即总时数。根据上述原则我们计算了全国900余个气象台站的年平均风能密度值,绘制成全国年平均风能密度分布图(见图1)。从而可以宏观的看出全国各地区风能资源分布状况,即反映出各个地区风能资源开发潜力的大小。

2　全国风能资源贮量的估算

为了进一步具体估算我国风能资源的贮量,力

求客观准确地反映各省区所具有的风资源潜力,我们根据上述绘制完成的全国年平均风能密度分布图,对我国各省及全国的风能贮量进行了细致的估算。

必须说明的是该贮量估算值是指离地10m 高度层上的风能资源量,而非整层大气或整个近地层内的风能量。另外所有计算值均只计算了陆地上空的风能量,而不包括海面上的风资源量。因此本估计值与前述普特南姆、古斯塔夫逊等人的估算值不属同一概念,不能直接与之比较。即使如此,本工作所计算的结果是根据实测资料作出的,从而较准确地反映了10m 高度上的风能资源量,并可进一步用来推断其它高度上的风能资源量。

2.1　估算的方法

首先在全国年平均风能密度分布图上划出10、25、50、100、200W /m 2各条等值线。

考虑一个单位截面积(如1m 2)的风能转换装置,风吹过后必须经前后、左右各10倍直径距离后才能恢复到原来的速度。因此在1km 2

(106m 2

)范围内对于1m 2直径叶片风力转换装置,只能装置106/(10×10)=104台。对于一个面积为S (单位:m 2),平均风能密度为W (单位:W /m 2

)的区域,其风能贮量R 由下式估算:

R =WS /100(单位:W )

(6)

为此,我们使用求积仪逐省量取了:<10、10～25、25～50、50～100、100～200、>200W /m 2

各等级风

能密度的区域的面积S i ,然后分别乘以各等级风能密度的代表值W i ,再按R =∑W i S i /100计算出每一省的风能贮量。

2.2　结　果

按上述方法经过仔细量取和计算后,各省的风能贮量与全国风能总贮量可分别作出(见表1)。据测算,我国风能总贮量(10m 高度层)为322.6×1010W ,这个贮量为“理论可开发总量”。实际可供开发的量按上述总量的1/10估计,并考虑风力机叶片的实际扫掠面积(对于1m 直径风轮的面积为0.52×π=0.785m 2),因此再乘以面积系数a =0.785,即为“实际可开发量”:

R ′=0.785R /10

(7)

由此,得到全国风能实际可开发量为2.53×1011

W 。在计算中我们取值时考虑偏保守一点的,因

此实际蕴藏量可能比这一估计值还要大些,即使如此,这一数字仍相当于我国目前发电总装机容量。可见我国风力发电作为电力行业一个新的方面军,是具有很大潜力和很强的生命力的,必将成为未来能源结构中一个举足轻重的重要组成部分。

表1　全国及各省风能储量

Table 1　Total and provincial wind energy reserves ×1010W

省份风能密度等级区间/W ·m -2

<10

10～2525～5050～100100～200>200理论可开

发量实际可开发量平均单位面积储量/kW ·km -

2

内蒙-0.39043.648024.800040.25609.6000

78.69406.1775695.48辽宁-0.1333

1.2833

2.2333

4.0667

-7.7166

0.6058

514.44

黑龙江-0.47682.722011.59667.1513-21.94671.7228477.10吉林-0.19661.04444.97611.9044-8.12150.6375451.19青海

0.0066

1.7607

5.4818

8.7382

14.8582

-30.8455

2.4214

428.41

续表

169

　2期薛　桁等:中国风能资源贮量估算