风能

宁德风能资源丰富，是我们项目的主要能源。宁德常年地表风速3~4m/s，200米高空风速7~9m/s。计划使用2台金风GW77风力发电机，单台额定功率1500kW。发电机安装在潮汐发电机附近，便于调控发电量

宁德年风速3~6 m/s时长4000h，6~9 m/s时长2000h，综合计算时风速3~6 m/s按40%效率，风速6~9m/s按75%效率计算，最后计算得到年发电量1300万kW·h。

寿命20年，后续将在工业部生产新发电机。

电机下将连接净化装备，确保液压油和清洗剂不泄露至地表土壤中。

单个电机叶片直径77m，占据空间约16000立方米。

资料来源：中国气象网，金风科技官网

潮汐能

宁德靠近大海，海洋中的潮汐能也是我们的重要能源。我们准备在宁德霞浦的护城河入海口附近建造堤坝式的潮汐能发电站，采用2台1500kW机组。

鉴于霞浦官井洋的世界级流速资源，我们为其设定一个合理范围：35% - 45%。最终年发电量约1100万kW·h。

发电机组总体积在1000立方米左右，控制中心以及监测设备，输电线路体积在1000立方米左右。大坝高约20米，宽50米，厚度约15米，俯视呈弧形，在入海口形成微型水库。大坝体积约15000立方米。其他设备体积500立方米。

发电站总体积约17000立方米。

发电站大坝周围布置生态浮床，实现污染治理。

资料来源：豆包，百度地图

化石能源

化石能源主要用于应急与补充。我们准备在霞浦第十八中学位置建造500kW火力发电厂。年最大发电量约350万kW·h。

发电厂占地约2500平方米，厂房高16米，占体积4万立方米。

安装尾气处理装置，保护生态。

火力发电站在某些特殊情况（风电和水电供电不足）下运行

火力发电站使用天然气作为燃料，天然气采用LNG形式储存。我们计划建造一个容积2万立方米左右，占空间25000立方米的常压大型储罐。

储电站

我们计划建造一座锂离子电池储电站。使用200个宁德时代5MWh EnerD系列液冷储能预制舱。占体积约12500立方米。

资料来源：宁德时代官网

生物质能

1. 能量密度

· 生物质能的能量密度通常较低，尤其是原始生物质（如木材、秸秆等），其质量能量密度和体积能量密度都远低于化石燃料（如煤炭、石油）。

· 通过加工转化（如制成生物炭、生物柴油、沼气等），能量密度可得到显著提高。

宁德本地生物质资源的主要类型及能量密度估算

宁德市属于亚热带海洋性季风气候，山地丘陵多，农业和林业资源丰富，其生物质资源主要有以下几类：

1. 农业废弃物

· 代表性资源：水稻秸秆、甘蔗渣、菌菇栽培废料。

· 能量密度特征：

  · 原始状态能量密度低：这类资源体积大、松散，其体积能量密度非常低，不便于长途运输。

  · 质量能量密度中等：以干基计算，热值通常在 12-18 MJ/kg 之间。

  · 举例：干稻草的热值约为 14 MJ/kg，远低于标准煤（约29 MJ/kg）。

2. 林业废弃物

· 代表性资源：杉木、松木、杂木的采伐剩余物（枝丫、树根等）和加工剩余物（锯末、边角料）。

· 能量密度特征：

  · 能量密度相对较高：木质燃料结构致密，热值较高。干木材的质量能量密度通常在 15-19 MJ/kg 之间。

  · 体积能量密度有所改善：但依然是松散状态，收集和运输成本高。

3. 畜禽粪便

· 代表性资源：来自各地的规模化养猪场、养鸡场等。

· 能量密度特征：

  · 原始状态能量密度极低：粪便含水量极高，热值非常低，几乎不能直接作为燃料。

  · 主要通过厌氧发酵生产沼气来利用其能量，沼气的能量密度约为 35-40 MJ/m³（相当于标准煤的一半以上）。

4. 加工后的生物质燃料

· 代表性资源：生物质颗粒、生物质压块。

· 能量密度特征：

  · 能量密度显著提升：通过压缩成型，体积大幅减小，体积能量密度接近甚至超过原煤，便于储存和长途运输。

  · 质量能量密度高：热值可达到 16-18 MJ/kg，是宁德地区生物质能应用中能量密度最高的形式。

5.生活垃圾/工业有机废弃物

城市固体废物，其中包括大量有机可燃物

2. 空间分布

生物质能的空间分布本质上是不均衡的，它高度依赖于自然地理条件和人类活动模式。这种不均衡性决定了生物质能的利用不能“一刀切”，必须因地制宜。

· 生物质能资源分布广泛但不均匀，主要集中在农业区、林区、畜牧业地区、人口生活区。

· 资源分布受气候、土壤、植被类型和人类活动影响显著，具有明显的区域差异性。生物质能的空间分布具有强烈的区域性和分散性。它既是 “最民主” 的能源（几乎无处不在），又是 “最挑剔” 的能源（能量密度低导致利用成本高）。因此，其发展的核心战略必须是 “因地制宜，多元转化” ，根据不同地区的资源禀赋，选择最经济、最环保的利用方式，形成分布式的能源供应体系，作为集中式能源系统的有效补充。

3. 时间分布

· 部分生物质能具有季节性特征，如农作物秸秆在收获季节集中产出（短期巨量产出），木材采伐也受生长周期限制。而畜禽（供应稳定但存在季节性波动，粪便含水量会随季节饲料变化而略有波动，影响沼气发酵效率）及人类粪便，生活与工业垃圾（连续性+波动性，受节假日，气候等因素影响）是可持续产出的。

· 储存能力对调节时间分布不均具有重要作用，但长期储存可能面临腐烂、能量损失等问题。

4. 利用方法

  · 生物柴油：通过酯交换反应，将废弃油脂或能源植物油的分子结构改变而成。

  · 生物原油：通过快速热解技术将生物质液化而成的初级产品，可进一步精炼成汽油、柴油。用途：替代或掺混汽油、柴油，作为交通燃料。

  · 能源作物：甘蔗/油菜，发光藻类照明

  · 直接燃烧（供暖、发电）

  · 热化学转化（气化、液化、热解）

  · 生物化学转化（畜禽粪便，有机垃圾等通过厌氧发酵产沼气、乙醇发酵）

  · 物理转化（压缩成型为颗粒燃料）

1. 直接燃烧

· 原理：生物质与氧气发生完全的氧化反应，将化学能直接转化为热能。

· 原料：木材、秸秆、固体成型燃料（颗粒、压块）。

· 技术形式：

  · 传统炉灶：效率低下（10-20%），污染严重。

  · 现代化锅炉：效率高（60-90%），配备先进的除尘、脱硫设备，用于区域供暖或工业蒸汽。

  · 生物质直燃发电：在高效锅炉中燃烧生物质产生蒸汽，驱动汽轮发电机发电。

· 优点：技术成熟、简单、成本相对较低。

· 缺点：直接燃烧原始生物质效率低、可能产生污染（如果控制不当）。

2. 热化学转化

通过高温和化学反应，将生物质转化为更高品质的固体、液体或气体燃料。

a. 气化

· 原理：在高温（800-1300°C）和有限氧气的条件下，将生物质部分氧化，转化为可燃的合成气。

· 主要产物：合成气（主要成分为CO、H₂、CH₄），可用于：

  · 驱动内燃机或燃气轮机发电。

  · 经过净化后作为化工原料合成甲醇、柴油（生物燃料）。

  · 直接供热。

· 优点：转化效率高，产品（合成气）用途广泛，污染排放低。

b. 热解

· 原理：在无氧或缺氧的中等温度（400-600°C）下，对生物质进行快速加热并冷凝其挥发分。

· 主要产物：

  · 生物油：一种深棕色液体，可作为燃料油或进一步精炼成高级生物燃料。

  · 生物炭：富碳固体，是优良的土壤改良剂，也能用于固碳。

  · 不可冷凝气体：可用于过程本身的供热。

· 优点：能生产易于储存和运输的液体燃料，实现生物质的分布式处理。

3. 生物化学转化

利用微生物或酶在常温常压下将生物质分解转化为燃料。

a. 厌氧发酵

· 原理：在无氧条件下，利用厌氧微生物将有机质（如畜禽粪便、餐厨垃圾、秸秆）分解。

· 主要产物：沼气（主要成分为CH₄和CO₂）。沼气可：

  · 直接用于炊事和照明。

  · 用于发电。

  · 提纯净化后得到生物天然气，可并入管道或作为车用燃料。

· 副产品：发酵后的沼液和沼渣是优质的有机肥料。

· 优点：能有效处理高水分有机废弃物，实现能源化和资源化。

b. 发酵

· 原理：主要利用酵母等微生物，将生物质中的糖分或淀粉（如甘蔗）转化为乙醇。

· 主要产物：燃料乙醇。

· 技术发展：新一代技术旨在高效利用秸秆等纤维素原料生产乙醇，避免“与人争粮”。

· 优点：产品乙醇是优良的汽油替代品，技术成熟。

4. 物理化学转化

主要通过物理和化学方法从油料生物质中提取燃料。

酯交换

· 原理：将植物油或废弃油脂（地沟油）与醇类（如甲醇）在催化剂作用下发生反应。

· 主要产物：生物柴油和副产品甘油。

· 优点：生物柴油环保，可与普通柴油以任意比例混合使用，发动机无需改造。

走向“生物精炼”，即像石油精炼一样，将一个生物质原料通过集成化的工艺，同时生产出能源（电、热、燃料）、化学品和材料（如塑料、肥料），实现价值的最大化。

通过本地化、分布式利用（如在养殖场边建沼气工程，在木材厂建气化站）或加工成型（生产颗粒燃料），将其转化为一种稳定、高效的清洁能源。

·建立规模化储存体系

   · 技术：采用打捆、干燥、压缩成型（制成颗粒或压块）等技术，减少体积，提高稳定性，便于长期储存。

   · 管理：建立科学的仓储物流管理系统，实行“旺季储存、淡季使用”的策略。

·资源调配与多元化原料

   · 混合原料：利用多种原料来源不同的时间分布特性，实现互补。例如，一个沼气工程可以同时使用畜禽粪便（全年稳定）、农业秸秆（季节性）和餐厨垃圾（全年稳定），从而平滑全年的原料供应曲线。

   · 区域调配：在资源匮乏期，从其他地区调入商品化的生物质燃料（如木屑颗粒）。

·发展高效转化技术

   · 开发能够适应不同原料、处理能力有弹性的转化技术，以应对原料成分和供应量的波动。

甘蔗生物质能的利用

1. 生产乙醇（生物燃料）：

   · 甘蔗汁或制糖过程中的副产品——糖蜜，可以通过发酵和蒸馏生产燃料乙醇。

   · 这种乙醇可以作为汽油的添加剂（如巴西广泛使用的乙醇汽油），是一种重要的可再生清洁能源。

2. 发电：

   · 榨糖后剩余的蔗渣含有大量的纤维素，可以作为生物质燃料在专门的锅炉中燃烧，产生蒸汽驱动涡轮机发电。

   · 这种模式在糖厂非常普遍，实现了“热电联产”，糖厂不仅能能源自给，甚至可以将多余的电量输送给电网。

3. 造纸和纤维板：

   · 蔗渣富含纤维，是造纸和制造人造板的好原料。可以生产包装纸、新闻纸、餐盒等，减少对木材的依赖。

4. 化工原料：

   · 通过发酵等生物化学过程，甘蔗可以生产出多种化工产品，如：

     · 乳酸：用于食品、化妆品和可生物降解塑料（PLA）的原料。

     · 酵母：用于烘焙和酿造工业。

     · 各种有机酸和溶剂。

5.农业与饲料类

1. 动物饲料：

   · 榨汁后的蔗渣虽然营养不高，但经过氨化、发酵等处理后，可以作为反刍动物（如牛、羊）的粗饲料。

   · 顶部的甘蔗梢（带有叶片的部分）含有较多营养，是优良的青饲料。

2. 肥料与基质：

   · 滤泥是制糖过程中过滤出来的副产品，富含有机质和营养元素，是很好的有机肥料。

   · 腐熟的蔗渣可以作为栽培蘑菇的基质或无土栽培的育苗基质

5. 转化效率

· 转化效率因技术和设备不同而有较大差异：

  · 直接燃烧效率较低，约10%~30%；

  · 气化发电效率可达20%~40%；

  · 沼气工程中厌氧发酵的能量回收率约为20%~50%；

  · 先进的生物炼制系统可提升整体能源利用效率。

生物质能转化效率 指的是在能量转换过程中，输出的有效能量与输入的生物质所含能量之比。

公式：转化效率 (%) = (输出有效能量 / 输入生物质能量) × 100%

由于能量在转换过程中会以热、摩擦、未完全燃烧、辐射等多种形式损失，所以转化效率永远低于100%。

不同利用技术的转化效率详解

生物质能的转化效率高度依赖于所采用的技术、设备水平、原料特性以及操作管理。

每一类技术的效率情况：

1. 直接燃烧

· 原理：生物质化学能 → 热能

· 效率范围：

  · 传统低效炉灶： 10% - 20%。大部分能量以烟气热和未燃尽碳的形式流失。

  · 现代高效锅炉： 60% - 90%。采用合理炉膛设计、配风系统、余热回收装置，可大幅提升效率。

· 发电效率：如果用于发电（蒸汽轮机），其整体发电效率通常只有 20% - 35%，因为热能→机械能→电能的转换本身卡诺循环效率限制很大。

2. 热化学转化

a. 气化

· 原理：固体生物质 → 可燃气体（合成气）

· 气化过程本身效率： 70% - 85%。（固体燃料化学能 → 气体燃料化学能）

· 整体利用效率：

  · 如果用于发电（气化+内燃机/燃气轮机）： 整体发电效率约为 20% - 40%。这比直接燃烧发电效率高，因为避免了蒸汽轮机的卡诺循环限制。

  · 如果用于供热（燃烧合成气）： 整体热效率可达 80%以上。

b. 热解

· 原理：固体生物质 → 生物油 + 生物炭 + 不可凝气体

· 能量转化效率（指输入生物质的能量分配到产品中的比例）：

  · 到生物油的效率： 50% - 75%。

  · 总能量回收率（生物油+生物炭）： 可达80% - 90%。生物炭含有大量能量。

· 注意：生物油还需要进一步精炼升级才能使用，精炼过程也有能量损失。

3. 生物化学转化

a. 厌氧发酵

· 原理：有机质 → 沼气（甲烷）

· 能量转化效率（原料能量 → 沼气能量）： 通常为 35% - 60%。

  · 影响因素：温度（中温~35°C最佳）、原料碳氮比、停留时间、技术工艺（CSTR, UASB等）。

  · 整体能源效率：如果沼气用于热电联产，总效率可达80%以上（发电效率30%-40%，同时回收余热50%左右）。

b. 发酵制乙醇

· 原理：糖/淀粉 → 乙醇

· 能量转化效率（生物质化学能 → 乙醇燃料化学能）： 25% - 40%。

  · 纤维素乙醇的转换效率目前通常低于淀粉乙醇，技术仍在发展中。

  · “能量投入产出比” 是另一个重要指标，即生产1单位乙醇能量需要消耗多少化石能源（如耕种、施肥、加工），现代工艺已可实现正收益。

4. 物理化学转化

酯交换制生物柴油

· 原理：植物油/脂肪 → 生物柴油

· 能量转化效率（油脂能量 → 生物柴油能量）： 非常高，通常 > 90%。

  · 这个过程主要是分子重组，能量损失很小。

  · 同样，评估其全生命周期能量效率更为重要，即从种植油料作物到最终产品。

风能能源

摘要：收集了宁德沿海2011年9月-2012年8月1周年的风和波浪连续观测资料,并对该海域的风和波浪特征进行了统计分析。该海域观测期间内全年平均风速年均为7.2m/s,平均有效波高为1.04m。常风向为NNE向,强风向为NE向。常浪向为E向,强浪向为E向。根据风和波浪场数据对宁德沿海的风能和波浪能进行评估,评估结果发现宁德沿海的风能和波浪能蕴藏量较丰富,年平均风能密度能达到411W/m^2,平均波浪能密度能达到2.6kW/m。对研究海域重现期波浪极值进行了推算,受东侧四礵列岛阻挡,宁德沿海南部海域主要受SE向波浪影响,北部海域主要受E向波浪影响。若对宁德沿海进行新能源开发,可以进行风能和波浪能的联合开发利用。

作者金永德 卢智林

机构地区国家海洋局第一海洋研究所 航天闽箭新能源投资股份有限公司

出处《海洋湖沼通报》 CSCD 北大核心  2018年第1期52-59,共8页

关键词宁德沿海 数据分析 风能评估 波浪能评估

分类号P76 [天文地球—海洋科学]

大致由西向东减小，自北向南增加，以霞浦县、福鼎市为风能的富集区域。

出处：福建省及各市风资源分布图

出处：[1]孙振泽, & 钱张伟. (2006). 宁德市南部沿海地区风资源分析. #i{福建气象}(5), 3.

[1]孙振泽,钱张伟.宁德市南部沿海地区风资源分析[J].福建气象, 2006(5):3.

[1]孙振泽, and 钱张伟. "宁德市南部沿海地区风资源分析." #i{福建气象} 5(2006):3.

四、利用方法

风能的应用领域

1.风力发电：这是风能利用的主要方式，通过风力涡轮机将风能转化为电能，供给电网或直接供给用户使用。风力发电是清洁、可再生的能源，能够有效减少温室气体排放。 

2.提水：在一些偏远地区，风能被用于驱动水泵，抽取地下水或灌溉农田。 

3.制热：风能还可以通过风热技术实现零碳供热，适用于一些特定的供热需求。

未来展望

随着技术的进步和政策的支持，风能的利用前景广阔。海上风电和新型风力涡轮机的研发将推动风能的进一步发展，为实现可持续能源目标提供重要支持。

风能的类型

陆上风能：在陆地上建设的风电场，通常利用开阔的平原或山丘。

海上风能：在海洋上建设的风电场，利用海上强风的优势，近年来发展迅速。

分布式风能：小型风力发电机组，适合家庭或小型企业使用。

五、转化效率

贝茨极限作为风力发电的主要理论，对风力发电的发展起到了巨大的推动作用，风力发电效率也被限定在59.3%以下。但贝茨理论选用理想状态的空气作为工质，仅考虑了空气的动能，测算也主要选用流速作为主要参数，并未充分考虑大气压力、温度等参数对风机运行的影响，因此和实际风资源利用存在一定的偏差。

作者：孤竹
 链接：https://www.zhihu.com/question/446445282/answer/2444081975
 来源：知乎

2.1 贝茨定律的相关内容

风力发电机是一种将风能转换为电能的装置，主要由风机叶轮、传动部件和发电机组成，风机叶轮将通过的风能转换为动能。由于空气动能转化为叶轮转动的机械能，通过风轮以后的风速会下降，假设将通过风轮的空气从空气中分离出来当作孤立的事物来看待，那么就可以形成一个横截面为圆形的长的气流管。

2.1.1贝兹定律中的理想风轮基于如下假设：

（1）风轮是一个平面原盘，叶片无限多；

（2）风轮面所受气流的推力均匀一致，且与风轮平面垂直；

（3）忽略气流与风轮之间的摩擦阻力；

（4）气体连续流动、密度均匀且不可压缩；

（5）风轮无尾旋，功率损耗为零；

（6）风轮周围无瑞流处的静压力在风轮的前远方及后远方相等。

图1 风机叶轮空气流场示意图

2.1.1贝茨定律内容

如图1所示为理想气流模型，v为气流通过风轮时的实际速度；v1为风距风轮一定距离的上游风速；v2为风远离风轮的下游风速；A为气流通过风力机叶片的翼略面的截面积，A1是通过风轮气流的前端的截面积，A2为气流流过风力机叶片扫掠末端的截面积。

则叶片处单位时间内通过的风的质量 M =ρA(v1+v2 )/2

根据牛顿第二定律，叶片吸收的动能等于风残余动能与风初始动能之差，于是得到：

P = (1/2)M(v12 - v22)

可得出P = (ρ/4)(v12 - v22)(v1+v2)A

由风能的基本计算公式可知

P0 = (ρ/2) v13A

则有：

η=P/P0 = (1/2)*(1-(v2/v1)^2)*(1+(v2/v1))

由此可见效率η为 v2/v1 的二次函数，当 v2/v1 = 1/3 时，P/P0 为最大值 16/27，即为59.3%。

2.1.3 存在的问题

贝茨定律的提出是建立在诸多假设条件的基础上，常见的风力发电机叶轮仅为3-5片，且3片居多，并非假定条件的叶片无限多，无限多的叶片可认为叶轮实度很高；更重要的是自然界中的空气极易压缩，并非无粘、不可压缩的理想流体，另外叶轮的前后远方也会存在一定压力差。这些假设都会造成贝茨定律与实际存在较大差异。

因为目前3片叶片的风机的叶轮实度很低，但经计算的效率已经达到了40-50%，甚至部分厂家生成已研制出更高的效率风机。为此某些专业技术人员也对59.3%的效率极限产生了怀疑，更多的人对贝茨定律通过各种理论和试验进行求证。

3.效率计算应考虑的因素

贝茨定律是基于理想条件下，对风机效率进行的论证。假定条件与实际存在较大差异会造成理论与现实不符。

风力发电机叶轮效率计算除了应考虑空气的速度动能外，还应加入压力能等因素，并充分考虑风机叶轮转动过程中工质和能量与外界的交换。

3.1 风形成的原因及具有的能量 

自然界的风主要受地球自转、太阳日照位置和角度的不同所影响，由于环境温度的不同造成空气密度不同，在不同区域产生不同压差，因此形成了风，并由高压区向低压区移动。如冬季北方天气寒冷，空气密度较高，而南方空气密度变化不大，就在两个地区形成了不同的压力差，不同地区的压力差为空气流动提供了动力。

按公式F=ma，空气在流动过程中将获得一定的加速度，随着时间的加长，空气流动的速度会越来越快，风也就越来越大。风的动能可以通过公式P=1/2mv2进行计算，在达到一定的风速以后，就能为风力发电机提供动力进行发电。

按照伯努利方程，风作为流体能量共有压力能、动能和位置势能三部分组成。对于风力发电机叶轮而言，空气的位置势能基本不变。在叶轮转动的过程中，压力能和动能可以互相转化，因此应将压力能和动能作为影响因素，但现在风力发电效率测算仅考虑了动能的变化。并做了叶轮上下游压力相等的假设，这与实际是不符的。

3.2 风机叶片数量 

目前大型风机叶片数量均为3片，叶片的实度较低也会对风机效率产生一定的影响。理论上来说，风机叶片数量增多能够得到更多的风能，风机能够获得更大的转矩。对此，很多人进行过相应的测算，认为风机3片叶片最为经济，成本较低，也获得了较高的效率。

现在大型风机的效率已达到40-50%，接近贝茨极限值59.3%，但三片叶片风机的实度只有叶轮扫风面积的几十分之一，叶片运行中会产生大面积漏风，必然会对风能的充分利用产生大的影响，因此有必要根据实际情况对风机叶片能量利用进行深入研究。如果对风机的边界条件进行梳理，去除贝茨定律假设条件的限制，在效率计算中引入压力能、动能及其互相转化的影响，通过合理利用能量转化规律，应能够获得更高的效率。

3.3 实际和理论的差异 

贝茨定律基于很多的理论假设，如将空气假设为不可压缩、无粘流体，但实际空气具有可压缩性，压力变化对空气的密度有着较大影响，空气也具有一定的粘性，在物体表面会形成一定厚度的附面层，这些差异都会使实际结果远离理论值。

3.3.1 在初速度v1的空气流经风机叶轮时，具有较高压力能和动能，由于空气受到叶轮的阻力，叶轮前的压力会上升至p，也即动能转化为压力能。由于压力能没有方向，叶轮处的压力高于环境压力p0，导致一部分空气会向叶片周边扩散，并形成一定的流速混入叶片周边环境中，只有部分空气进入叶轮做功。叶轮前后压力差的存在也会对叶片做功，形成的扭力增加。

3.3.2 由于空气在叶轮前的压力升高，这部分空气的密度也会大于上游空气，进入空气的质量M也会大于上游空气，并不会遵从不可压缩流体的假设。因此进入风机叶轮的动能也会大于理论值。

3.3.3 对于叶轮后部，为了进入叶轮的空气能够顺利排出，其全压（静压与动压之和）要高于环境压力。全压包括压力和流速形成的动压。如果后部形成的静压力低于环境压力，外围的空气就会因为静压的作用进入填充，并最终和环境压力相同，造成叶轮上下游压力相同的假象。

3.3.4 理论假设风机叶轮上下游压力相同，但实际是存在一定的压力梯度的。叶轮上下游存在一定的压差，这个压差导致了空气流动，并最终形成了风的流速，这部分压力差也会对叶轮做功。

总之，理论计算和工程实际存在一定的差异，从实际出发，对风力发电机进行设计才能获得更大的效率和收益。

4.风力发电的改进思路

4.1 采用模拟仿真设计叶片

风机叶轮叶片较长，为了达到较高的运行效率，设计较为复杂。现在基本是利用三维软件对叶片进行放样建模形成弯扭叶片（见图2），并经过计算流体力学CFD模拟仿真校核。风机叶片转动机理主要是通过叶片两侧的压力差不同，通过升力作用在叶片形成扭矩，带动叶轮轴旋转，并带动发电机发电。

在叶片设计方面，Solidework、CREO、Catia等软件得到了较多的应用，通过绘制不同的叶片轮廓对叶片截面进行控制，并根据需要进行扭曲，后经引导曲线放样形成。

图2 风机叶片设计示意图

在风机叶轮仿真，ANSYS、Abaqus等CFD软件得到了广泛的应用2，这类软件不但可以完成风机叶片的结构校核，强度计算，还可以进行流场模拟，研究风机叶片转动情况下风的流场变化，提供更为详实的设计数据。近些年国内QFLUX、TF-Particle等流体力学软件也有了较快发展，在风力场模拟、叶片设计等方面有了一定的应用。对于CFD软件计算，边界条件设计最为重要，选择正确的设置才能够得到正确的结果。

4.2 合理选择设计参数

4.2.1根据实际情况确定叶轮前的压力、温度等参数。根据压力、温度测算流入空气的密度，计算流入叶轮的空气质量M，以及具有的压力和速度能。

4.2.2 合理利用空气的压力能和动能。为保证叶轮后空气的顺利排出，叶轮后部全压应高于环境压力，因此叶片设计中应充分考虑压力能和速度能的能量转化，通过合理调整叶型使叶轮获得最大的扭矩。

4.2.3 采用异形叶片使叶轮获得更多的扭矩。对于风机叶片而言，叶片获得扭矩和空气的动能。根据F=mv，推动叶片的空气的质量越大，叶片获得的扭力也会越大。

4.3 改进叶片及风机形式

当前风机叶片设计主要采用光滑曲面设计，风经过叶片时，叶片前后表面受力差使叶片获得相应的扭矩。这部分力主要由两部分组成，一部分是空气对叶片的冲动力，另一部分是叶片两面的压力差产生的力。

4.3.1 采用三维弯扭叶片。利用当前先进的CFD软件技术设计更为先进的，效率更高的弯扭叶片，在叶片旋转中获得更多动能。大型风机叶片无一例外采用变截面设计，沿叶片长度叶片轮廓始终处于变动状态，以完成更加高效的能量转换。

4.3.2 在叶片表面设计压力能动能转换结构。光滑的叶片无法获得更多的空气动力，如果在叶片表面设计一定的槽道，规范流体流向，让更多的空气从叶片表面流过，增大控制质量，应能够获得更多的动能。通过合理设置动能和压力能转换，也可以通过提高压力让叶片获得更多的反动力。如图3所示的叶片结构示意图，将叶片下表面加装缩放装置，空气进入时首先进入减缩段，空气在内部加速可以获得较多的动能推动力，后部扩压段，可以利用升高的反动压力继续推动叶片旋转。

图3 风机叶轮空气流场示意图

4.3.3 采用双叶轮风机3。通过在风力发电机前、后部加装两个叶轮增加风能的利用效率，前后风机叶轮交错布置，增加一个叶轮可以增加发电功率。相关试验表明，小型风力发电机增加一个风轮可以提高风力发电机效率40-50%左右，因此双叶轮如果应用在大型风力发电机，也能进一步提高效率。

5.小结

风力发电作为主流的清洁能源之一，具有可再生，清洁环保的优点，在未来电力供应方面具有较好的前景。随着我国西北、华北、东北等高质量风资源的逐步利用，风力发电逐渐向风力较小的南方发展，国内风力发电也逐渐由大面积向高质量发展的阶段迈进，如何提高风机效率成为新的课题。贝茨定律作为风力发电的法则已运用多年，但由于理想工况和自然环境中的实际工况相差较远，应着重对实际情况进行研究，以达到合理利用风资源的目的。

太阳能

1.能量密度

太阳能资源三类区，年太阳总辐射量在4200-5016 MJ/m²之间，相当于140-170kg标准煤燃烧所发出的热量，日辐射量约为3.2-4.1 kWh/m²。

2.空间分布

山地低、河谷平原高的特点。

高值区：主要分布在河谷平原地带，年太阳总辐射量可达4500-5016 MJ/m² 

中值区：分布在低山丘陵地区，年太阳总辐射量约为4200-4500 MJ/m²

低值区：主要分布在中高山区，年太阳总辐射量约为3800-4200 MJ/m²

1. 坡度影响：随着坡度增大，太阳辐射受坡向的影响增强。坡度为20°的阳坡比平地太阳辐射量增加10%-15%，而相同坡度的阴坡比平地减少15%-20%

2. 坡向影响：南坡(阳坡)接收的太阳辐射量最大，北坡(阴坡)最小。在冬季，南坡比北坡太阳辐射量高30%-40%，而在夏季差异相对较小，约为10%-15%

3. 地形遮蔽：山区地形复杂，相互遮蔽现象明显。山谷地带的实际太阳辐射量比开阔地减少15%-25%，特别是在冬季尤为明显

低海拔地区(＜300米)：年太阳总辐射量约为4200-4500 MJ/m²

中海拔地区(300-800米)：年太阳总辐射量约为4300-4600 MJ/m²

高海拔地区(＞800米)：年太阳总辐射量可达4500-4800 MJ/m² 

海拔每升高100米，年太阳总辐射量增加约1.5%-2% 

3.时间分布

年

（周期性变化：年太阳总辐射量存在2-3年的短周期和5-6年的中周期振荡，同时还存在8-10年的长周期变化）

季节

夏季太阳辐射量最大，占全年的30%-35%；春季次之，占25%-30%；秋季占20%-25%；冬季最小，仅占15%-20% 。从冬季到夏季，太阳辐射量逐渐增加，3-4月增速最快；从夏季到冬季，太阳辐射量逐渐减少，9-10月降幅最大。7月通常是太阳辐射量最大的月份，月平均辐射量可达500-550 MJ/m²；1月是太阳辐射量最小的月份，月平均辐射量仅为200-250  MJ/m²

夏季(6-8月)：太阳高度角大，日照时间长，月平均太阳辐射量可达450-500 MJ/m²，占全年总辐射量的30%-35% ；

春季(3-5月)：太阳辐射量次之，月平均约为350-400 MJ/m²；

秋季(9-11月)：辐射量与春季相近，但总体呈下降趋势；

冬季(12-2月)：太阳高度角小，月平均辐射量仅为250-300 MJ/m²，是全年辐射量最低的季节 。

日

日变化特征表现为单峰型分布，中午12:00-13:00时达到峰值，日辐射量在10:00-15:00时占日总辐射量的73%左右 。在晴朗天气下，峰值时段(12:00-14:00)辐照强度可达800-1000  W/m²，占日内总辐照量的60%以上 。日出后太阳辐射量逐渐增加，11:00-13:00达到峰值，随后逐渐减少，日落前降至最低。在晴朗天气下，中午12:00-13:00时的太阳辐照度可达800-1000 W/m²，是日辐射量的主要来源。日有效辐射时段：通常将太阳辐照度≥100    W/m²的时段视为有效辐射时段，该区域的有效辐射时段在夏季可达8-10小时，冬季仅为4-6小时。（1.晴天：太阳辐射量最大，日总辐射量可达5-6 MJ/m²，直接辐射占比高，约为70%-80% 2. 多云天气：太阳辐射量约为晴天的50%-70%，直接辐射与散射辐射比例相近 3. 阴天：太阳辐射量大幅减少，约为晴天的20%-30%，以散射辐射为主 4. 雨天：太阳辐射量最小，约为晴天的5%-10%，主要是散射辐射）

4.利用方法

光伏发电系统

1. 分布式光伏发电：

屋顶光伏系统：利用建筑物屋顶安装光伏组件。（混凝土平屋顶的最佳倾角为25°-30°，坡屋顶可根据实际坡向和坡度调整）

农光互补系统：在农田上方架设光伏组件，下方继续农业种植，实现"板上发电、板下种植"的立体利用模式。（稻田、茶园和果园）

渔光互补系统：在鱼塘或水库上方安装光伏组件，下方进行水产养殖。

2. 集中式光伏电站：

地面光伏电站：在开阔的荒坡、荒地或未利用土地上建设大型光伏电站。（适合在坡度＜25°的南坡或东南坡建设）

山地光伏电站：利用山地地形建设光伏电站。（优先选择阳坡和半阳坡，避开山谷和阴影区）

3. 特殊应用场景：

光伏水泵系统：利用太阳能光伏发电驱动水泵，解决山区农业灌溉和人畜饮水问题。

太阳能路灯：利用太阳能光伏发电为道路照明提供电力 

太阳能户用系统：小型太阳能发电系统，满足基本生活用电需求

太阳能热利用系统

1. 太阳能热水系统：

平板式太阳能热水器：适合在城镇居民区推广，年平均热效率约为55%-60%，冬季因低温效率降至40%-45%，需配套电辅热 

真空管太阳能热水器：热效率略高于平板式，冬季性能优于平板式 

2. 太阳能采暖系统：

太阳能空气集热器：用于建筑物采暖或农产品烘干，效率约为40%-50%

太阳能地板辐射采暖系统：将太阳能与相变材料结合，实现热能的存储和释放

3. 太阳能干燥系统：

太阳能农产品干燥：用于茶叶、香菇、笋干等农产品的干燥，效率约为40%-50%

太阳能木材干燥：用于木材干燥处理，可提高木材质量和利用效率 

太阳能综合利用系统

1. 光伏-光热一体化系统：

光伏-光热一体化组件：同时产生电能和热能，提高太阳能的综合利用效率。（公共建筑和工业建筑）

光伏-热联供系统：将光伏发电与太阳能热水系统结合，实现电能和热能的联合供应 

2. 多能互补系统：

风光互补系统：将太阳能光伏发电与风力发电结合，利用两者的互补性提高供电稳定性。

光储互补系统：将太阳能光伏发电与储能系统结合，解决太阳能间歇性和波动性问题。

水光互补系统：将太阳能光伏发电与水力发电结合，利用水电的调节能力平衡光伏出力波动。

3. 太阳能建筑一体化：

光伏建筑一体化(BIPV)：将光伏组件作为建筑围护结构的一部分，实现建筑与光伏发电的有机结合。

太阳能被动式建筑：通过建筑设计充分利用太阳能，如合理的朝向、窗户设计、遮阳设施等，减少建筑能耗

太阳能软膜

太阳能软膜本质是柔性薄膜太阳能电池的封装/载体一体化结构，以高分子柔性基材（如PET、PI膜）为基底，将薄膜光伏芯片（铜铟镓硒CIGS、钙钛矿等）与透明导电层、封装层复合，具备三大核心优势：

柔性可弯曲：弯曲半径最小可达5cm，可贴合曲面（如建筑穹顶、汽车车顶、帐篷表面），打破传统刚性光伏板的安装限制。

轻量化：重量仅为传统玻璃光伏板的1/5-1/10（约800g/㎡），无需额外承重支架，大幅降低安装成本与场景门槛。

弱光响应优：在阴天、散射光环境下，光电转换效率衰减比刚性板低15%-20%，适配更多光照条件复杂的场景。2. 关键参数本地修正（计算必用）

效率修正：

软膜实际效率（η实）= 标准效率×[1 - 温度衰减 - 湿度衰减 + 弱光增益]

代入闽北数据：η实 = 17%×[1 - 0.015（夏季高温） - 0.005（湿度75%-85%） + 0.1（散射辐照增益）] = 18.7%（优于本地晶硅组件实际效率15%-17%）。

年等效日照小时数修正：

软膜弱光响应好，可利用清晨/傍晚及阴雨天气的弱光（辐照强度200-800 W/㎡），比晶硅组件多利用10%-12%的日照时长。

本地河谷区晶硅等效日照1280-1320h，故软膜等效日照小时数（H软）= 1300h×1.11 = 1443h（取均值计算）。

系统损耗修正：

软膜无支架，线缆更短，安装损耗比晶硅少2%；但需专用逆变器（MPPT跟踪精度≥99%），总系统损耗（含逆变器、线缆、灰尘）取8%（晶硅为10%-12%），故系统总效率（η系）= 组件实际效率×(1-系统损耗) = 18.7%×0.92≈17.2%。

量化计算：

以下计算基于闽北河谷区核心参数：年均GHI=4650 MJ/㎡（1292 kWh/㎡），软膜等效日照H软=1443h，组件实际效率η实=18.7%，系统总效率η系=17.2%。

5.转化效率

光伏系统转化效率

1. 光伏组件效率：

单晶硅组件：年均实际效率约为20%-22% 

多晶硅组件：实际运行效率约为18%-20%，高温性能优于单晶硅 

薄膜组件(如碲化镉)：初始效率较低(18%-20%)，但高温耐受性优于晶硅，实际效率衰减较少(约5%-8%) 

2. 系统整体效率：

光伏系统总效率：包括组件效率、逆变器效率、线缆损耗、灰尘遮挡等因素，整体效率约为15%-18%

温度影响：温度每升高1℃，晶硅组件的效率约下降0.4%-0.5%。

遮挡影响：阴影遮挡会导致组件功率大幅下降，即使1%的面积被遮挡，也可能导致组件功率下降10%-15%

3. 实际发电量：

年等效满发小时数：光伏系统的年等效满发小时数约为1000-1300小时

单位装机容量年发电量：1MW光伏系统的年发电量约为100-130万kWh，具体取决于安装地点、倾角、朝向和系统效率 

光热系统转化效率

1. 太阳能热水系统效率：

平板式太阳能热水器：年平均热效率约为55%-60%，冬季效率降至40%-45%，需配套电辅热 真空管太阳能热水器：热效率略高于平板式，年平均约为60%-65%，冬季性能优于平板式 

（太阳能热水器的热水产量夏季可达冬季的2-3倍） 

2. 太阳能采暖系统效率：

太阳能空气集热器：效率约为40%-50%，适合低温采暖需求 

太阳能地板辐射采暖系统：结合相变材料的太阳能采暖系统可提高热能存储能力，系统效率约为35%-45%

3. 太阳能干燥系统效率：

太阳能农产品干燥系统：效率约为40%-50%，适合农产品低温干燥需求，实用性高于光伏直驱干燥 

太阳能干燥与传统干燥对比：太阳能干燥可降低能耗50%-70%，同时提高产品质量，但受天气影响较大 

（温度影响：高温会降低光伏组件效率，当组件温度从25℃升高到60℃时，单晶硅组件效率下降约14%-17.5% 

降水影响：降水会清洗组件表面，但连续阴雨天气会导致发电量大幅下降。雨季(5-6月)对光伏发电影响较大 

风速影响：风速对光伏组件有冷却作用，可部分抵消温度升高的负面影响。夏季风速较大，有利于光伏系统散热）

（组件倾角和朝向：在闽北地区，光伏组件的最佳倾角约为25°-30°，接近当地纬度。最佳朝向为正南或南偏西5°-10°，以提高下午发电量

支架类型：固定支架系统简单可靠，但发电量低于跟踪系统。单轴跟踪系统可提高发电量10%-15%，但增加成本和维护工作量

系统配置：逆变器容量与组件容量的配比(容配比)影响系统效率。容配比通常设置为1.2-1.4，以提高高辐照时段的利用率）

1. 组件技术改进：

高效组件应用：采用高效率的TOPCon、HJT等新型电池技术，可提高组件效率2%-3%，在闽北地区具有成本效益

抗PID组件：选择抗电位诱导衰减(PID)的组件，减少长期运行中的效率衰减 

双面组件：双面组件可利用地面反射光，提高发电量5%-15%，适合在开阔场地和浅色地面应用

2. 系统优化设计：

智能追光支架：采用单轴或双轴跟踪系统，提高太阳光线利用率，可提升发电量10%-25% 

优化倾角设计：根据闽北地区的太阳辐射特点，优化组件倾角，提高关键季节的发电量。例如，冬季需求高的系统可适当增加倾角

阴影分析与规避：在系统设计阶段，利用地形和建筑物阴影分析软件，优化组件布局，减少阴影影响

3. 先进技术应用：

智能微电网技术：将多个分布式电源、储能和负荷整合，实现协调控制和优化运行，提高能源利用效率 

电力电子变压器：采用基于电力电子变压器的能量路由系统，可实现交直流、多电压等级的电能变换，提高配电网消纳分布式光伏发电量的能力 

虚拟电厂技术：通过信息通信技术将分布式电源、储能和可控负荷聚合起来，参与电力市场交易和电网调度，提高系统经济性 

4. 运维管理提升：

智能运维系统：利用物联网、大数据和人工智能技术，实现设备状态监测、故障诊断和预测性维护，提高系统可靠性和效率

定期维护计划：建立科学的定期维护计划，包括组件清洁、设备检查、性能测试等，确保系统始终处于最佳运行状态

性能评估与优化：定期对系统性能进行评估，分析效率损失原因，采取针对性的优化措施

（信息来源：国家气象局风能太阳能中心数据，中国气象局公共气象服务中心能源气象服务团队研发的精细化太阳能资源评估数据产品，中国科学院大气物理研究所联合哈尔滨工业大学和国家卫星气象中心利用风云四号A星（FY-4A）光谱成像仪数据进行的研究，豆包，其他相关研究报告）