我国风能开发利用及布局潜力评估[1]

薛　桁　朱瑞兆

（国家气象局气象科学研究院）

近十几年来，我国在风能资源勘测、分析计算和区划，以及在大、中、小型风力机组的研制方面，都做了大量的工作，尤其在1000W以下的微型机组的生产、推广使用方面已有了一定的基础。百瓦级的风力机起动风速和额定风速较低，在我国安装范围较广。大、中型风力机组的安装使用，特别是风力田的建设，主要取决于风力资源。

1988年国家计委为了更好地制定我国风能利用发展规划，积极稳步地开发利用我国风能资源，委托中国气象局气象科学研究院进行了我国风能开发利用和布局的可能性研究，在1983年宏观上作出的《中国风能区划》［1］的基础上进行补充修正，给出全国大、中、小型风力机可能布局的地区分布。

本文所采用的资料包括：①全国近900个气象台站三年逐时测风资料；②全国2425个气象台站的37年平均风速资料；③全国各省市气象部门富有经验的气象人员提供的除正规气象观测记录以外的风能潜力分布状况资料。

一、风力机容量系数

早先人们一直根据各地的平均风速来估计当地的风能潜力。尽管风力机的输出功率依赖于平均风速，但它还跟风速变化的方差等有关。在风速概率满足一定的概率分布的情况下，可以计算实际能够得到的风力机平均输出功率与风力机的额定功率之比，称此为风力机的容量系数。它是衡量各地风力机安装潜在输出能力的一种科学评估指标。

如已知风速的概率分布，那么风力机的实际平均输出功率可写成：

式中，为实际平均输出功率，P（V）为风力机的输出功率，p（V）为风速的概率分布密度函数。

假定一个风力发电机系统有以下特性：切入风速为V0，额定风速为V1，切出风速为V2。风力机输出功率假定在V1～V2的额定功率Pr是恒定的，并用从V0时的零到V1时的Pr呈抛物线状改变。那么功率函数的解析式可以写成［2］：

式中，V为风力机中心高度的风速，A、B、C为待定系数，按下面条件确定：

式中，Vc=（V0+V1）/2。

风速的概率分布采用两参数的Weibull分布，其概率密度函数为

我们计算了全国728点的韦布尔参数c和k，因此，每个站点的风机平均输出功率就可通过下式积分来估计：

文献［3］也曾计算过我国风机潜力，但只计算了V0为3.5m/s，V2为20m/s，V1为6、8、10m/s的三种情况。这次根据我国风力机组系列型谱（见表1），计算了10种机型的容量系数。

其中对于不同高度Z上的韦布尔参数c、k的计算，采用了杰斯图斯（C.G.Justus）的经验公式［4］：

式中，ca、ka分别为参考高度Za的c、k参数。

图1～图3给出了1kW、10kW、100kW三种类型风力机容量系数的全国分布图。

从图1～图3可看出如下几个特点：①随着额定风速的增大，容量系数在减小，如在1kW（见图1）的容量系数等值线上，内蒙古北部可达70%，东南沿海岛屿也在70%～80%；而在10kW（见图2）图上，内蒙古北部降为50%～60%，东南沿海岛屿降为70%；到了100kW图上（见图3），以上两个地区分别降到20%～25%和50%～55%。②容量系数较大地区分布在沿海及三北北部地区。沿海从广东南澳到东北大连容量系数愈近海愈大。如平潭向陆地深入几十公里容量系数可降50%～60%；山东半岛和辽东半岛由于没有高山阻挡，容量系数降低比较平缓，仅降低10%～20%；江苏沿海由于海岸走向呈西北—东南向，恰好与冬季的西北风，夏季的东南风平行，风力较小，就我国沿海而论是风力最小的，所以容量系数也较小。三北北部容量系数较大的大致有七个地区：东北松花江下游，内蒙古科右中旗，朱日和，海力素，甘肃河西走廊，新疆达坂城到七角井，阿拉山口。在这七大风区中因局地影响还可再分为几个小地区，如内蒙古在朱日和风区又分为5个小区。

此外，在青藏高原北部、云南丽江到大理、红河河谷及四川的康定，容量系数也较大，但必须指出，这些地区随着额定风速的增大，容量系数锐减，也就是说，10kW以下的风力机尚有应用前景，而100kW风力机的容量系数仅有10%。对100kW的风力机，容量系数50%、20%分别表示可有50kW、20kW的平均输出功率，也就是说全年分别有4.4×105kW·h、1.8×105kW·h的能量输出。这种方法是美国杰斯图斯（C.G.Justus）首先计算了美国各地的100kW和1kW的风力机容量系数后被各国采用的，它清楚地表明，各种风力机在某地的输出功率的百分数，对于风力机选址或经济效益的计算都有很重要的实用价值。

二、全国年平均风速分布

根据2434个气象台站的累年年平均风速资料，绘制了全国年平均风速分布详图（见图4）。由于该图集中了我国几乎所有气象台站的资料，因此风速分布状况的精度超过以往任何一个分析的结果。参加统计的2434个气象台站所代表的县、市数，占全国总县、市数的93%。年平均风速小于2m/s的台站800个，占参加统计的总台站数的32.87%；年平均风速2～3m/s的台站共876个，占总数的36%；年平均风速3～4m/s的台站共554个，占总数的22.76%；年平均风速4～5m/s的台站共126个，占总数的5.17%；年平均风速5～6m/s的台站共39个，占总数的1.6%；年平均风速大于6m/s的气象台站共39个，占总数的1.6%。年平均风速达6m/s及其以上的气象台站如表2所示。

将图4年平均风速分布与我国风能资源区划结果相对照，除青藏高原外，基本上有着较好的一一对应关系。这样的区划，精细程度有很大提高。年平均风速小于2m/s的地区，基本上对应于风能资源区划的欠缺区，该区内风能资源除了一些特殊地形外，总体说潜能很低，至少目前没有什么利用价值。年平均风速在2～4m/s的地区，基本与风能可利用区相对应。对于这大片地区，可以进一步将它分成两个部分，其中年平均风速在2～3m/s的地区，风能有可能加以利用，但价值较小；对于年平均风速在3～4m/s的地区，利用价值较高，有一定的利用前景。但从总体考虑，本区的风力潜能仍是不高的。年平均风速在4～4.5m/s的地区基本相当于风能较丰富区，显然本区的风能利用价值比前者高。年平均风速大于4.5m/s的区域则相当于区划中的风能丰富区，在该区内可以进一步划分出年平均风速大于6m/s的地区，它是我国风能最佳区。青藏高原，由于这里海拔高，空气稀薄，密度小，直接影响风能大小，若将年平均风速的分区标准提高一个等级，则基本与前述对应关系相一致，并可依此来估价这一地区的风力潜能大小。

三、修正

由于在许多情况下，仅靠现有的气象台站记录不能满足实际需要，因此本文还根据各省、区有多年工作经验和充分了解本省情况的气象人员所提供的调研资料，对台站观测记录不能覆盖的地区或气象记录因各种因素产生的偏差进行了补充和修正，在此基础上按照前述的风力机发展等级与年平均风速的关系，综合各种因素分别按照小型（1kW级）、中型（10kW级）和大型（100kW级）风力机的可能布点地区进行了划定（见图5）。对于按气象站记录作出的风能密度和平均风速分布图修正较大的主要是地形复杂的山区。如黑龙江的大小兴安岭等山区，这里台站较稀疏，且代表性较差，在经过调研和对高空风记录得到的风廓线特征进行估算后，作了修正和补充。又如云南省气象站多数位于县城附近较平坦地区，风速普遍偏小，通过一些测站资料的对比和对考察资料的分析，也进行了若干修正和补充。当然，对于全国广大地区还有许多不清楚的地方，在缺乏根据的情况下，仍无法进行正确的估计，在目前情况下，为保证结论的严谨性，没有轻易地加以订正或补充，其结果可能是偏于保守的。

四、结论

1.大型风力机（100kW级以上）的可能发展地区，大约相当于年平均风速为6m/s以上的地区。在全国范围内，仅局限于较少几个地带，就陆地面积而言，大约仅占全国总面积的1/100，主要分布在从长江口到南澳之间的东南沿海及包括山东、辽东半岛沿海的岛屿，内蒙古的北部海力素戈壁区、乌兰察布高平原及锡林郭勒平原的部分地区，新疆的东部哈密北戈壁及西部阿拉山口风区与达坂城风区。此外，还有零星分布于各地的高山顶部，如黑龙江的小兴安岭、老爷岭、张广才岭、完达山等山的顶部；宁夏的贺兰山、六盘山，吉林的长白山天池，山西的五台山，浙江的天目山、括苍山，福建的九仙山，湖南的南岳山，云南的高黎贡山、太华山等顶部。

在100kW风力机的容量系数图上，该区约相当于容量系数值为0.25～0.30以上的区域。

在上述地区中，除高山山顶外，以东南沿海的风力潜在能量最大，海岛的沿海地带年平均风速一般均可达7m/s以上，不少可达到8～9m/s，这里风向也较稳定，多以东北向大风为主。缺点是这一地区易受台风袭击，空气中盐雾较重，是发展风力机建设不可忽视的方面。北部风能丰富区面积大，且较平坦开阔，人口稀少，无大电网，但从长远看，这里是风力田建设的良好基地。

2.中型风力机（10kW级）的可能发展地区，约相当于年平均风速在4.5m/s以上的地区。就全国而言，可以发展中型风力机的地区约占全国陆地总面积的1/10。除了我国沿海的狭长海岸带外，其他主要分布于我国北部的内蒙古中西部及新疆东部高原地区，还有内蒙古的鄂尔多斯高平原及呼伦贝尔高平原风区，新疆的额尔齐斯河谷西部风区和准噶尔盆地西部风区，吉林西部的通榆风区，黑龙江三江平原及松嫩平原风区，西藏高原的中部地区以及较零星分布于苏北平原、太湖湖区和云南有利山区地形造成的风区等。

在10kW风力机的容量系数图上，该区约相当于容量系数值为0.3以上的区域。这些地区风的季节性较强，某些月份风力十分强盛，除去个别小风月份，风力机可以大大提高它的运转效率。

3.小型风力机（1kW级）的可能开发地区，结合近年来我国各地推广应用风力机试验结果，相当于年平均风速3m/s以上的地区。相对而言，在这一较广大的范围内，有些地区的风力机运转效率可能是不够高的。在相应的1kW风力机容量系数图上，该区约相当于风力机容量系数0.25以上的地区。取10m高度处风力机容量系数为0.25作为小型风力机的安装界限。这还与我国是一个季风气候的国家有关，本区地域分布均处于较强的季风活动带范围之内，所以在若干月份，风力仍足够大，小型风力机的运转效率较高。在综合考虑当地能源供应与需求情况下，上述地区开发风能仍具有较大的社会经济效益。

本区的范围较大，约占全国总面积的40%以上，东北除大兴安岭、长白山脉的背风低谷等不利地形外，内蒙古的大部及京、冀、晋、陕、宁、甘的北部，青海的中西部，西藏的雅鲁藏布江河谷以外的大部，新疆除两大盆地及阿尔泰山等的外围地区均属本区范围。此外，还有津、冀、鲁、豫的东部及江苏、皖北至江西、湖北的两湖地区，向南包括浙、闽、两广的沿海以及云南东北部等。

4.百瓦级的微型风力机，可以在年平均风速3m/s或以下的地区安装，在全国年平均风速图上最小边界应在2m/s等值线以上地区。这一范围比小型风力机的可安装范围稍有扩大。上述指标从风力机全年运转效率来看是偏低的，但考虑到不少地区能源极度紧缺，为缓和生态系统的破坏，同时作为新能源综合利用中的一环，上述指标具有很实际的意义。从资源角度上说，虽然年平均风速仅2～3m/s，但针对我国许多地区风速季节变化大的特点（特别是北部和西部地区），在冬半年几个月份当中风能仍然存在比较大的潜力，充分利用这一资源，仍具有不可忽视的价值。

参考文献

［1］朱瑞兆，薛桁.中国风能区划［J］.太阳能学报，1983（2）：123-132.

［2］Justus C G，Hargraves W R，Yalcin A.Nationwide Assessment of Potential Output from Wind-Powered Generators［J］.Journal of Applied Meteorology.1976，15（7）：673-678.

［3］朱瑞兆.我国风力机潜力的估计［J］.气象科学研究院院刊，1986（2）：185-195.

［4］Justus C G.Methods for Estimating Wind Speed Frequency Distributions［J］.Journal of Applied Meteorology，1978，17（3）：350-353.

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[1]本文发表在《太阳能学报》，1990年第1期，收录在《风能、太阳能资源研究论文集》，气象出版社2008年版。