主题：风能太阳能发电系统读书笔记 -- 白杨

风电最大的问题就是随机性太强，不易控制和调度，那么能否参考核电站做法，以抽水蓄能的方式进行发电？具体的说，就是：建立风力抽水蓄能电站，抽水利用风力完成，然后剩下的就是水电站的成熟技术了。

风力发电的能量是从风中捕获的，那么风的能量如何计算就是个问题，另外如何估算某地区的风能也是急需要解决的问题。那么我们一步一步的开始推导计算，找出这几个问题的答案。

风力机有两种设计，一种是Danish风机，一种是Darrieus风机，见下图。其实这两者很多部件除了安装位置不同，没有什么大的不同。现在大多数的风机都使用Danish风机，那么我们就从Danish风机开始。

经典的Danish风机

Darrieus风机

质量为M，速度为V运动的空气的动能为：

W=1/2*MV^2

那么上游运动空气的功率就是：

P=1/2*单位时间流过空气质量*V^2

设A为风轮的扫掠面积，I为空气质量，那么

P=1/2*(IAV)*V^2=1/2*IAV^3。

一般按照叶片扫掠面积上每平方米的瓦特数来对比两个风电场的风能，称为风电场的功率密度。

风电场功率密度=1/2*IV^3。

这是上游风的功率密度，这些能量会有一部分留在下游风中，上下游空气动能之差会被叶片吸收，那么风轮吸收的机械功率为：

P=1/2*单位时间流过的空气质量*{V^2-V0^2},V0为下游风速。

现在需要对单位时间流过的空气质量进行计算，宏观上讲，在风轮扫掠的面积上，空气速度是从V到V0不连续变化的，取平均值(V+V0)/2，因此风轮吸收的机械功率可以写成：

P=1/2*[IA(V+V0)/2]*{V^2-V0^2}=1/4*IAV^3*(1+V/V0)[1-(V/V0)^2]=1/2*IAV^3*C

大家可以看出，C这个函数存在极值，通过求导可以得出，C的最大值为0.59，在上下游风速之比V/V0=1/3时取到最大值。我们把C叫做风轮效率，一般实际设计中，C的最大能到0.4~0.5之间，我们以0.5为C的经验最大值，那么风轮的机械效率可以写成：

Pmax=1/4*IV^3

在实际的使用中，常用的是TSR（风轮叶尖速比TIP SPEED RATIO）而不是上下游风速比，下面给出了风轮机械效率在不同的叶片设计下的曲线。可以看到具有最高风轮效率的是高速双叶片，接近0.5。从图中也可以看到Darrieus风机的风轮效率没有Danish风轮效率高，这就是为什么现在大多数风机都是Danish的原因。

从前面可以看到，风轮机械功率随着风轮的扫掠面积增大而线性增大，那么如何计算？设D为风轮直径，在Danish风机中很简单，就是A=D^2*PI/4，在Darrieus风机中，需要用到微积分的知识，不过要是近似认为叶片为抛物线，那么可以用这个公式：

A=2/3*(中心处风轮最大宽度)*(风轮高度)

另外一个因素是空气密度，计算空气密度wikipedia上都有，而且公式打起来很复杂，我就偷懒不写了，结论就是越高空气密度越小：比如说2000m高空密度为0.986kg/m^3,海平面上的为1.2250.986kg/m^3。

这时候就需要测出风速了。测风速的方法多种多样，但是像风电场测速要在一个很大的区域内测速，传统的方式需要很多的机械式测速仪组成一个阵列，这样很复杂。现在有一种光学传感器风速仪很是了得，利用剩余紊流闪烁效应，可以测出很大一个区域内从微风到阵风一个很大范围内的风速，相信在不远的将来就会取代常规的风速仪。不过具体的原理我没看明白，隔行如隔山啊，哪位河友要是明白，就给大家来科普科普吧，呵呵。

最近有点忙，就先写这么多吧，下节写风速的分布和预测。图片稍后补上。土鳖抗铁牛先。

进入21世纪，中国能源面临着五大严峻挑战：能源需求总量的急剧增加和能源供应的巨大压力、液体燃料短缺、环境污染严重、温室气体排放、8亿农民及快速城镇化所需的清洁能源供应，这五大挑战严重制约了中国的可持续发展。因此，能源战略、能源科技、能源政策都应以解决以上五点为出发点。

从中长期来看，中国能源有以下几个无法改变的事实。煤的开采和直接燃烧已引起严重的生态和环境污染问题，70%-80%以上的SO2、NOX、Hg、PM2.5-10、CO2等都是由于煤炭直接燃烧所引起的。但根据对能源需求和能源供应的预测，煤炭现在以至将来（直到2050 年或更晚）仍将在中国能源消费中起主导作用，预计到2050 年煤炭将占中国能源消费总量的50%-60%（目前为70%），但总量不会低于20亿吨标准煤。并且，煤炭用于发电的比例会越来越大，目前为50%，预计到2020 年将达到70%以上。这意味着燃煤电厂排放的CO2将占中国CO2排放总量的60%以上，而从燃煤电厂尾气中捕捉CO2成本高昂。

面对能源资源紧张、环境污染、生态退化、全球变暖等日益紧迫的危机，大力发展可再生能源，尤其是大规模风力发电是中国能源系统的重要发展趋势之一。

从数量上而言，中国风能资源较丰富。据估计，风能资源经济可开发量中，陆上6 - 10 亿kW，海上1–2 亿kW。中国规划到2020 年风力发电总装机容量将达3000 万kW，准备修改的规划是2020年风电总装机容量达到1 亿kW，考虑到每单位装机容量的满负荷工作时间平均只有2000 小时，则1亿kW 的风电相当于火电3200 万kW 左右，占2020 年中国发电总装机容量14 亿kW的2.29%左右。太阳能热发电最多几万千瓦的示范，光伏发电不会比风电多。生物质能可利用的农作物秸秆折合 3 亿吨标煤，可利用的森林折合 3 亿吨标煤。

由于中国能源消费总量的急剧增长，单是发电设备（其中主要是燃煤的发电），每年增长的装机容量是60~80GW，超过3个长江三峡。在这个高速增长量中，可再生能源所能起的作用是很有限的，更不用说去替代原有的化石能源消耗。因此，可再生能源在2020年以前很难在总能源平衡中占有一定分量的比例，也就是说，2020年以前可再生能源不能解决中国能源的主要问题。必须从中国的现实出发，在一次能源以煤为主的情况下，构建能源、经济、环境整体化的可持续发展的能源系统。

可再生能源的根本特点是能流密度低、随机性大、不可控因素多。对中国而言，能源种类繁多（煤、石油、天然气、核能、水能、风能等），应当有一个能让各种能源取长补短、相互配合、发挥各自优势的战略布局，而不是各提指标，“各打各的仗”，“各吹各的号”。一个国家的能源系统是一个有机整体，是一个各种不同能源的转换、输送，并且以各种不同形式或产品服务于终端用户的庞大且复杂的广义总能系统。在多种能源输入、多种产品输出的广义总能系统中，每种能源必须发挥其特殊长处。若把可再生能源当作一种有份额的一次能源“插入”到整个能源系统中，则必须根据不同可再生能源的特点，从而确定其在整个能源系统中的战略地位，使之各得其所，发挥长处。因此，可再生能源利用一定要从国情，从各地区的具体情况出发，因地制宜，因应用制宜，从国家高度把“合适的能源放在合适的地方”。

根据上述广义能源系统利用的原理，可再生能源应当与化石能源集成利用，如生物质和煤的混烧发电、太阳能集热器+热泵+天然气（建筑能源供应）、太阳能加热火力发电厂的锅炉给水、大规模风场+燃气轮机或压缩空气蓄能、风能和煤化工的集成等，均是目前可再生能源发展中的“合适的位置”。

中国风力资源丰富的地区（新疆、内蒙、甘肃、宁夏等）基本是边远地区，当地用电负荷小，又远离负荷中心。而这些地区的风电规划都超过10 GW 以上（被称为风电“三峡”）。当地的电网结构比较薄弱，容量小；风电具有随机性，不易控制和调度，大规模地接入电网必然会导致电网的不稳定；如果要接入电网，风机的结构和控制系统将不得不复杂化，引起风电基本投资增加；且由于风电的随机性，电网必须要有相应的旋转备用电源，从而导致总投资增加。目前，电网已成为制约风电发展的一大瓶颈。

另一方面，中国石油短缺，对外依存度高又会引起一系列的能源安全问题，液体燃料短缺的大规模缓解只能通过煤基替代燃料如甲醇、二甲醚等实现，生物柴油和玉米等纤维素合成的乙醇只能解决一小部分问题。当然，煤炭对中国来说也是稀缺资源，但相对于其它能源资源，煤炭仍较为“丰富”，若每年将煤炭产量的1/8用于车用液体燃料的生产，从总的能源供应角度看，将不会带来很大的不平衡。所以煤基替代燃料（甲醇、二甲醚）和替代石油基塑料、纤维等是目前煤化工高速发展的动力。到2020 年中国用于化工生产的煤炭将达到3-4 亿吨标煤。但以甲醇生产为代表的煤化工都要排放大量的CO2，同时煤化工也要消耗大量的水，中国煤炭资源丰富的地区通常水资源都非常匮乏。产生的问题是大量的CO2 排放，这和发展低碳经济、应对气候变化不相容。

由于大规模风电的发展已成为必然趋势，而风电的上网问题是目前的一大难题；煤化工的发展面临着CO2排放的巨大压力。现实要求，一方面要给大量风电找“合适”的利用方式；另一方面，要大幅度降低现代煤化工CO2 排放，使之变得更“绿色”。

根据中国能源资源的分布特点，上述风电丰富、准备建设风电“三峡”的地区恰好是煤炭资源丰富、准备建设大规模现代煤化工的地区。在这些地区，风电的规模是十几个GW，每年煤化工的甲醇产量至少上千万吨。资源在地理上的耦合为风电和煤化工的集成利用提供了有利的条件。这是机遇，也是重大挑战。为此可以发展风电与甲醇生产集成系统，使甲醇生产更“绿色”。

在中国规划的具有大型煤化工基地的省市，如内蒙、宁夏、陕西、甘肃等，已提出年产千万吨的煤制甲醇项目和建设风电“三峡”的宏伟计划。若不认真整体规划，各行其是，这些项目将会成为一个大量排放温室气体、大量消耗水资源，与生态、可持续发展不能相容的工业群体，从长远来看，将长期影响中国能源、环境和生态的发展。

因而从现在开始，有必要按照各地区的具体情况，认真研究多种能源的集成优化配置，从示范到商业化再到大规模化，总体规划、分步实施。否则一旦风能、煤等各种资源在大能源基地没有整合，导致技术路线锁定，形成行业壁垒，几十年内都很难改变。这将导致新型、高效的能源系统很难推进和发展，节能减排困难重重。

作者：倪维斗是清华大学热能工程系教授，中国工程院院士。曾任清华大学副校长。现任北京市科协副主席，中国环境与发展国际合作委员会能源战略与技术工作组中方组长。

http://www.ftchinese.com/story.php?storyid=001026349

上学的时候，最喜欢绪论了，因为这东西往往是废话连篇而且还是众多简答题的参考答案，。不过我的绪论肯定也是废话连篇，但是能不能有点参考价值就很难说了。。。

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人类历史的升级换代很大程度上和能源的升级换代是相关的。电能是人类目前找到的最方便利用的能源形式，在可预见的将来，估计电能还将是人类优先使用的能源。那么电从哪里来呢？

目前发电的一次能源中主要有煤炭、天然气、核能以及可再生能源。在中国煤炭发电是主流，但是目前超临界机组和超超临界机组用的还不多，火力发电的水平还需要提高。但是火力发电带来了严重的环境问题，全球变暖是不是个大忽悠先暂且不提，火力发电排出了大量的SO2和NOX，这对环境的危害是不言自明的，如何给子孙留下绿水青山和山下的煤炭以备不时之需应当提上议事日程了，力争能让火力发电在未来能绝对下降是个艰巨无比的目标。

核能是大家寄予很大希望的能源，但是核能也有自己的麻烦。一个是前期投资太大，还贷周期很长，大亚湾似乎还清贷款不长时间？第二是规划问题，采用技术选择、地址的选择以及当地居民对核电的抵制。美国自从1978年没有规划过任何核电站，而且全球的核电容量也进入了很长一段时间缓慢增长期，在中国，最近才把“适度发展”改为了“积极推进”。其实上面两个问题都是钱和执行力这种次等问题，在邪恶的TG的魔爪下都不是问题，下面的问题才是真正要严肃对待的。一个就是核废料的处理，目前的方法是密封深埋，这样对环境的危害还是未知，因为目前还没有泄露事故的发生。第二个就是设备的国产化。目前基本上是属于照猫画虎阶段，有自己的东西很少。就拿现在引进的APR1000来讲，是哈尔滨电气花82亿美元从西屋买的，而且是只有小容量机组的技术，哈电从去年开始招人开始搞技术消化和创新，我对后者表示很谨慎的乐观。试想一个到现在为止全世界一个商业化运行的堆都没有，如何能改进？设备国产化的脚步任重道远。目前，我国核电装机只占电力总装机的1.3%，比例很低，官方说法是要力争2020年核电占电力总装机的比例达到5%以上。

ps：不过最近几年中广核作为一个运营商，应该过的很滋润，据里面的同学讲，曾经有过一年发31个月工资的盛况啊，口水ing。。。

可再生能源中水电是开发的比较早也比较成熟的技术。官方给出的政策是积极开发水电。我国是世界上水电资源蕴藏最为丰富的国家，可开发的资源量约为5.4亿千瓦。到2008年，我国水电装机容量只有1.7亿千瓦，开发利用程度仍然较低。远低于美国、日本等发达国家，发展潜力巨大，力争到2020年水电装机规模达到3亿千瓦左右。在我国，水力发电远离负荷中心，要西电东送，线路损耗不可忽视，建设大规模的水电对环境的影响也还没有定论，这都影响着水电的开发利用。如果能在分布式发电中合理利用，不失为一个好的选择。

终于要说到新能源了。其实新能源一点也不新，都是研究了很多年的东西，只不过经过先辈们的努力，现在在经济上有了可行性了而已，这里面主要是风力发电和太阳能发电。这两者目前主要困难是经济性和并网，如何大规模的降低成本是主要的努力方向，当然对中国来说，还要力争在这个行业里要占据有利地位，不能老是想着市场换技术。益处当然是多多了，主要是有下面几点：

1.模块化增长

一个电厂从投入试运行到满负荷在以前只需要几年的时间。现在则不同了，在美国目前的电力需求增长是2%，一个500MW的电厂完成上述过程可能要几十年，这种投资的风险太了，所以在今天有了模块化的需求。风力和太阳能都是高度模块化的，可以根据需要分阶段装机，而且不会损失经济性。其实我觉得这个对中国目前的意义不大，因为中国09年的电力需求放缓还有5%……

2.分布式发电

这个说穿了在中国目前的情况下就是给边远地区提供用电，因为要是向这些地区架设线路实在是得不偿失。分布式发电能利用边远地区风大阳光充足的特点为当地居民提供用电。还可以使用的方向是给海上油田供电。而且分布式发电的时候发电侧和用户侧距离不远，节省了升压和降压的投资，减少了线路的损耗，大概的估算是每消化百万kwh，可以减少50000kwh的线路损耗。

3.排放效益

每消耗百万kwh新能源比传统能源大概可以减少7.5~10tSO2，3~5t的NOX。美国大概一年排放了25亿tCO2，2000万tSO2和800tNOX，这些数字还是很可观的。令人发指的是美国这个伟大的光荣的人类道德标杆的民主国家退出了京都议定书，继续我行我素，还指手画脚的指责要中国为全球气候变暖和环境污染负责，真的是好好的给我们上了一课什么叫强盗逻辑。废话少说，回到新能源。下面简单列出了几种主要发电方式的成本。

煤炭发电的成本大概是3~5美分/kwh，投资成本是1.0~1.5美元/W，外部成本是1.0~15美分/kwn

核能 3~8 1.2~2.0 0.2~0.6

水电 5~10 0.8~1.2 -------

风力 3~5 0.8~1.5 -------

太阳 20~35 6.0~8.0 0.05~0.25

这是一个很简单的估计，外部成本表示是对社会和环境的成本，在核电的这项里没有考虑核废料和核电的退役成本。可以看出的是风力发电已经具有了和其他能源在经济上竞争的可能性，所以在过去的十几年里，风电一直保持着近30%的高增长率，在最近的会议上，也保持着高调的势头，专家们也一直叫嚷着我国有10亿千瓦的风能可以利用，真的吗？毛爷爷教育我们没有调查就没有发言权，那么我们就从风电的技术谈起，看看到底是不是有那么多的风能可以让我们利用。