1.我國(guó)風(fēng)能資源分布
我國(guó)屬于地球北半球中緯度地區(qū)，在大氣環(huán)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(guó)北方地區(qū)主要受中高緯度的西風(fēng)帶影響，南方地區(qū)主要受低緯度的東北信風(fēng)帶影響。
我國(guó)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(gè)緯度，東西跨60個(gè)經(jīng)度以上。我國(guó)獨(dú)特的宏觀地理位置和微觀地形地貌決定了我國(guó)風(fēng)能資源分布的特點(diǎn)。我國(guó)在宏觀地理位置上屬于世界上最大的大陸板塊——?dú)W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(qū)和南方地區(qū)分別受大陸性和海洋性氣候相互影響，季風(fēng)現(xiàn)象明顯。北方具體表現(xiàn)為溫帶季風(fēng)氣候，冬季受來自大陸的干冷氣流的影響，寒冷干燥，夏季溫暖濕潤(rùn);南方表現(xiàn)為亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季受來自海洋的暖濕氣流的影響，降水較多。
按照陸地與海洋的距離劃分，我國(guó)可分為南部沿海地區(qū)、東南部沿海地區(qū)、東部沿海地區(qū)、中部?jī)?nèi)陸地區(qū)、西部、北部和東北部?jī)?nèi)陸地區(qū)。
南部沿海地區(qū)在東北信風(fēng)帶和夏季熱低氣壓的影響下，主風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)和東北風(fēng)，由于夏季低氣壓的氣壓梯度較弱，因此風(fēng)力不大，風(fēng)能較小。
東南部沿海地區(qū)與臺(tái)灣島在臺(tái)灣海峽地區(qū)形成獨(dú)特的狹管效應(yīng)，而該地區(qū)又正處于東北信風(fēng)帶，主風(fēng)向與臺(tái)灣海峽走向一致，因此風(fēng)力在該地區(qū)明顯加速，風(fēng)力增大，風(fēng)能資源豐富，具有較好的風(fēng)能開發(fā)價(jià)值。
東部沿海地區(qū)基本上處于副熱帶高壓控制，氣壓梯度小，同時(shí)，該地區(qū)又受海洋性氣候的影響，大風(fēng)持續(xù)時(shí)間短且不穩(wěn)定，風(fēng)能資源開發(fā)潛力一般。
中部?jī)?nèi)陸地區(qū)由于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(dá)這里，夏季受海洋性氣候的影響較小，同時(shí)由于該地區(qū)地勢(shì)地形復(fù)雜和地面粗糙度變化較大，不利于氣流的加速，因而風(fēng)能資源比較貧乏。
西部、北部和東北內(nèi)陸地區(qū)主要包括新疆、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、東北三省、山西北部、陜西北部和河北北部地區(qū)，這些地區(qū)緯度較高，處于西風(fēng)帶控制，同時(shí)冬季又受到北方高壓冷氣團(tuán)影響，主風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)和西北風(fēng)，風(fēng)力強(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)這些地區(qū)海拔較高，風(fēng)能衰減小，因此，具有較好的風(fēng)能開發(fā)價(jià)值。
我國(guó)對(duì)風(fēng)能資源的觀測(cè)研究工作始于20世紀(jì)70年代，中國(guó)氣象局先后于20世紀(jì)70年代末和80年代末進(jìn)行了兩次全國(guó)風(fēng)能資源的調(diào)查，利用全國(guó)900多個(gè)氣象臺(tái)站的實(shí)測(cè)資料給出了全國(guó)離地面10m高度層上的風(fēng)能資源量。據(jù)資料介紹，當(dāng)時(shí)我國(guó)的風(fēng)能資源總儲(chǔ)量為32.26億kW，陸地實(shí)際可開發(fā)量為2.53億kW，近?？砷_發(fā)和利用的風(fēng)能儲(chǔ)量有7.5億kW。
根據(jù)中國(guó)氣象局于2004～2006年組織完成的最新的第三次全國(guó)風(fēng)能資源調(diào)查，利用全國(guó)2000多個(gè)氣象臺(tái)站近30年的觀測(cè)資料，對(duì)原有的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正和重新計(jì)算，調(diào)查結(jié)果表明：我國(guó)可開發(fā)風(fēng)能總儲(chǔ)量約有43.5億kW，其中可開發(fā)和利用的陸地上風(fēng)能儲(chǔ)量有6～10億kW，近海風(fēng)能儲(chǔ)量有1～2億kW，共計(jì)約7～12億kW。
2.我國(guó)主要的風(fēng)能豐富區(qū)
圖1是我國(guó)有效風(fēng)能密度分布圖，深顏色顯示了風(fēng)能豐富地區(qū)的分布。
圖1 中國(guó)有效風(fēng)能密度分布圖(W/m2)
(1)“三北”(東北、華北、西北)風(fēng)能豐富帶
該地區(qū)包括東北3省、河北、內(nèi)蒙古、甘肅、青海、西藏、新疆等省區(qū)近200千米寬的地帶，是風(fēng)能豐富帶。該地區(qū)可設(shè)風(fēng)電場(chǎng)的區(qū)域地形平坦，交通方便，沒有破壞性風(fēng)速，是我國(guó)連成一片的最大風(fēng)能資源區(qū)，適于大規(guī)模開發(fā)利用。
(2)東南沿海地區(qū)風(fēng)能豐富帶
冬春季的冷空氣、夏秋的臺(tái)風(fēng)，都能影響到該地區(qū)沿海及其島嶼，是我國(guó)風(fēng)能最佳豐富帶之一，年有效風(fēng)功率密度在200W/m2以上，如臺(tái)山、平潭、東山、南鹿、大陳、嵊泗、南澳、馬祖、馬公、東沙等地區(qū)，年可利用小時(shí)數(shù)約在7000至8000小時(shí)。東南沿海由海岸向內(nèi)陸丘陵連綿，風(fēng)能豐富地區(qū)距海岸僅在50千米之內(nèi)。
(3)內(nèi)陸局部風(fēng)能豐富地區(qū)
在兩個(gè)風(fēng)能豐富帶之外，局部地區(qū)年有效風(fēng)功率密度一般在100W/m2以下，可利用小時(shí)數(shù)3000小時(shí)以下。但是在一些地區(qū)由于湖泊和特殊地形的影響，也可能成為風(fēng)能豐富地區(qū)。
(4)海拔較高的風(fēng)能可開發(fā)區(qū)
青藏高原腹地也屬于風(fēng)能資源相對(duì)豐富區(qū)之一。另外，我國(guó)西南地區(qū)的云貴高原海拔在3000米以上的高山地區(qū)，風(fēng)力資源也比較豐富。但這些地區(qū)面臨的主要問題是地形復(fù)雜，受道路和運(yùn)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(qū)風(fēng)況特點(diǎn)的風(fēng)電機(jī)組較少等等，增加了風(fēng)能開發(fā)的難度。
(5)海上風(fēng)能豐富區(qū)
海上風(fēng)速高，很少有靜風(fēng)期，可以有效利用風(fēng)電機(jī)組發(fā)電容量。一般估計(jì)海上風(fēng)速比平原沿岸高20%，發(fā)電量增加70%，在陸上設(shè)計(jì)壽命20年的風(fēng)電機(jī)組在海上可達(dá)25年到30年。我國(guó)海上風(fēng)能豐富地區(qū)主要集中在浙江南部沿海，福建沿海和廣東東部沿海地區(qū)，這些地區(qū)海上風(fēng)力資源豐富且距離電力負(fù)荷中心很近，與海上風(fēng)電開發(fā)成本雖高，但具有高發(fā)電量的特點(diǎn)相適應(yīng)。
2009年12月中國(guó)氣象局正式公布全國(guó)風(fēng)能資源詳查階段成果數(shù)字為陸上50m高度潛在開發(fā)量約23.8億千瓦，近海5～25m水深線內(nèi)可裝機(jī)量約2億千瓦。
3.影響我國(guó)風(fēng)能資源分布的氣象條件
(1)冷空氣活動(dòng)
冬季(12月到翌年2月)整個(gè)亞洲大陸完全受蒙古高壓控制，其中心位置在蒙古國(guó)的西北部，從蒙古高壓中不斷有小股冷空氣南下并進(jìn)入我國(guó)，同時(shí)還有移動(dòng)性的高壓不時(shí)地南下，氣溫較低，形成大范圍的大風(fēng)降溫天氣。
如圖2所示，影響我國(guó)的冷空氣有5個(gè)源地，由這5個(gè)源地侵入我國(guó)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(jìn)入蒙古國(guó)西部再東移南下影響我國(guó);第二條是源于新地島以西北冰洋面，經(jīng)俄羅斯、蒙古國(guó)進(jìn)入我國(guó);第三條源于地中海附近，東移到蒙古國(guó)西部再影響我國(guó);第四條是源于太梅爾半島附近洋面，向南移入蒙古國(guó)，然后再向東南影響我國(guó);第五條源于貝加爾湖以東的東西伯利亞地區(qū)，進(jìn)入我國(guó)東北及華北地區(qū)。
圖2 中國(guó)寒潮冷空氣路徑圖
這5條路徑進(jìn)入我國(guó)后分兩條不同的路徑南下，一條是經(jīng)河套、華北、華中由長(zhǎng)江中下游入海，有時(shí)可侵入華南地區(qū)，沿此路徑入侵的寒潮可以影響我國(guó)大部分地區(qū)，出現(xiàn)次數(shù)占總次數(shù)的60%以上，冷空氣經(jīng)過之地有連續(xù)的大風(fēng)、降溫，并常伴有風(fēng)沙。另一條是經(jīng)過華北北部、東北平原，冷空氣路徑東移進(jìn)入日本海，也有一部分經(jīng)華北、黃河下游向西南移入兩湖盆地，這一條出現(xiàn)次數(shù)約占其中次數(shù)的40%，它常使渤海、黃海、東海出現(xiàn)東北大風(fēng)，也給長(zhǎng)江以北地區(qū)帶來大范圍的大風(fēng)、降雪和低溫天氣。
(2)熱帶氣旋活動(dòng)
在我國(guó)東南沿海每年夏秋季節(jié)經(jīng)常受到熱帶氣旋的影響。我國(guó)現(xiàn)行的熱帶氣旋名稱和等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。臺(tái)風(fēng)是一種直徑1000km左右的圓形氣旋，中心氣壓極低，臺(tái)風(fēng)中心10～30km范圍內(nèi)是臺(tái)風(fēng)眼，臺(tái)風(fēng)眼中天氣較好，風(fēng)速很小。在臺(tái)風(fēng)眼外壁天氣最為惡劣，最大破壞風(fēng)速就出現(xiàn)在這個(gè)范圍內(nèi)。所以一般只要不是在臺(tái)風(fēng)正面直接登陸的地區(qū)，風(fēng)速一般小于10級(jí)(26m/s)，它的影響平均有800～1000km的直徑范圍，每當(dāng)臺(tái)風(fēng)登陸后我國(guó)沿?？梢援a(chǎn)生一次大風(fēng)過程，而風(fēng)速基本上在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組切出風(fēng)速(25m/s)范圍之內(nèi)，是一次滿發(fā)電的好機(jī)會(huì)。
在我國(guó)登陸臺(tái)風(fēng)平均每年有7個(gè)，而廣東每年登陸臺(tái)風(fēng)最多為3.5次，海南次之為2.1次，臺(tái)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(jì)僅1.7次，由此可見，臺(tái)風(fēng)影響的地區(qū)由南向北遞減。
4.影響風(fēng)能利用的災(zāi)害性天氣
(1)臺(tái)風(fēng)
臺(tái)風(fēng)具有暖性高濕和強(qiáng)烈輻合的特點(diǎn)，它能量很大，來勢(shì)兇猛，常常伴有狂風(fēng)、暴雨、風(fēng)暴潮等強(qiáng)烈的天氣，是影響我國(guó)的主要災(zāi)害性天氣系統(tǒng)之一。臺(tái)風(fēng)移近海岸時(shí)，狂風(fēng)可引起大范圍巨大的海潮，使沿海地區(qū)受到猛烈沖擊。登陸臺(tái)風(fēng)帶來的狂風(fēng)暴雨常使建筑物、輸電線路等地面設(shè)施遭受嚴(yán)重破壞，對(duì)裸露在大氣中，以自然風(fēng)為動(dòng)力的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉輪構(gòu)成了很大的威脅，輕者引起發(fā)電機(jī)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(fēng)電場(chǎng)建設(shè)要考慮的一個(gè)重要因素。低溫下發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀況、零部件的性能、機(jī)組的可維護(hù)性等方面將發(fā)生變化。例如隨著溫度的降低，空氣密度將增大，可能使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)過載現(xiàn)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(huán)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組在正常運(yùn)行時(shí)，如溫度低于-20度，風(fēng)速超過額定值后，會(huì)產(chǎn)生無規(guī)律葉片瞬間振動(dòng)現(xiàn)象，可導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)迅速增加，影響機(jī)組正常發(fā)電，后者造成機(jī)組停機(jī)，同時(shí)也可能造成葉片損傷。另外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所使用的油品在低溫時(shí)流動(dòng)性變得很差，致使機(jī)組難以運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而危及設(shè)備安全運(yùn)行。
(3)積冰
積冰是指地面樹木，設(shè)施等物體表面產(chǎn)生的結(jié)冰現(xiàn)象，也稱覆冰。積冰對(duì)風(fēng)電場(chǎng)及導(dǎo)線線路有很大的危害，不僅增加了導(dǎo)線、桿件等的垂直載荷，而且使導(dǎo)線、桿件等的界面增大，從而增大機(jī)構(gòu)的擋風(fēng)面積，使風(fēng)載荷增加，在積冰嚴(yán)重的地區(qū)有時(shí)會(huì)遭致導(dǎo)線跳頭、扭斷甚至拉斷或結(jié)構(gòu)倒塌等事故。
(4)雷暴
雷暴是積雨云在強(qiáng)烈發(fā)展階段產(chǎn)生的雷電現(xiàn)象。雷暴過境時(shí)，氣象要素和天氣變化都很劇烈，常伴有大風(fēng)、暴雨以至冰雹和龍卷風(fēng)，是一種局地性的但卻很猛烈的災(zāi)害性天氣。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和電線線路多建在空曠地帶，處于雷雨云形成的大氣電場(chǎng)中，相對(duì)于周圍環(huán)境，往往成為十分突出的目標(biāo)，很容易發(fā)生尖端放電而被雷電擊中，雷電釋放的巨大能量會(huì)造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片損壞，發(fā)電機(jī)絕緣擊穿，控制元件燒毀等，致使設(shè)備和線路遭受嚴(yán)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(yīng)引起高幅值的雷電壓行波，并在終端產(chǎn)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(qiáng)風(fēng)將地面大量沙塵卷入空中，使空氣混濁，水平能見度小于1km的天氣現(xiàn)象。而強(qiáng)沙塵暴則是使空氣非?；鞚?，水平能見度小于500m的天氣現(xiàn)象。
沙塵暴發(fā)生時(shí)，往往狂風(fēng)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(yán)重時(shí)甚至伸手不見五指，強(qiáng)風(fēng)可吹倒或拔起大樹、電桿，刮斷輸電線路，毀壞建筑物和地面設(shè)施，造成人畜傷亡，破壞力極大。
對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)來說，沙塵暴的危害是多方面的。首先，沙塵暴都伴隨有大風(fēng)，強(qiáng)沙塵暴風(fēng)力達(dá)8級(jí)以上，甚至有的可達(dá)12級(jí)，相當(dāng)于臺(tái)風(fēng)登陸的風(fēng)力，大風(fēng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的破壞力已不言而喻。其次是大風(fēng)夾帶的沙粒及黃豆大小乃至核桃大的石塊還會(huì)擊打、磨蝕建筑物和其他裸露物體的表面，不僅會(huì)使風(fēng)電機(jī)組葉片的表面受到嚴(yán)重磨損，而且還會(huì)使葉片表面出現(xiàn)凹凸不平的坑洞，影響風(fēng)電機(jī)組出力，同時(shí)嚴(yán)重破壞葉片表面的強(qiáng)度和韌性以及葉片整體的強(qiáng)度，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)儀器設(shè)備構(gòu)成較大的危害。另外，沙塵暴在以排山倒海之勢(shì)向前移動(dòng)時(shí)，還驅(qū)動(dòng)著下層的沙粒也隨之一起前行，遇到迎風(fēng)和隆起的地形，沙塵暴可對(duì)土壤造成不同程度的刮蝕，每次風(fēng)蝕深度可達(dá)1～10cm;遇到背風(fēng)凹洼的地形或障礙物時(shí)，隨風(fēng)而至的大量沙塵又會(huì)造成沙埋，嚴(yán)重的沙埋深度可達(dá)1m以上。
如風(fēng)電場(chǎng)建在迎風(fēng)坡或地勢(shì)較高的地區(qū)，沙塵暴對(duì)土地的刮蝕，會(huì)對(duì)塔基的牢固程度造成影響，在背風(fēng)坡或地勢(shì)低洼的地區(qū)，其沙埋作用又可使塔架的高度發(fā)生變化，影響風(fēng)能吸收和轉(zhuǎn)換。
