中国太阳能、风能资源[1]
朱瑞兆
（中国气象科学研究院）
能源是能够产生能量的物质。目前世界上能源消耗存在两大问题，一是矿物燃料储量越来越少，二是矿物能源开发利用造成环境污染，所以需要寻求长久而清洁的代用能源。而太阳能、风能则是其中之一，从而得到了世界的重视。
我国电力事业有了迅速的发展，但仍不能满足生产和生活水平提高的需要。特别是我国农村能源更为短缺。我国目前还有29个无电县，全国25%的农户约2.5亿农村人口没有用上电，60%的有电县年人均供电量不足50kW·h，每年能保证供电100天的地区不多，能供电200天的地区更是少数，全国乡村用电量缺电达30%以上。这些无电缺电的地区，大部分是在交通不便经济后进的山区、草原、海岛等。目前农村生活用能依靠生物质燃料，生产用能依靠畜力、柴油和电力，这些能源的供应都非常紧张，因此，充分利用太阳能，风能对农村能源建设有重要的意义。
一、太阳能资源及其利用
到达地面的辐射总量包括太阳直接辐射和散射辐射的总和，通常称为总辐射。太阳能一般以太阳总辐射来表示。总辐射值可以根据仪器观测来确定，在观测资料缺乏时，也可以用计算方法求得。影响总辐射的因素概括为三个，即天文辐射Qi、大气透明度状况和云量，故总辐射Q的计算关系式：
Q=Qif（a，b）φ（s，n）
式中，f（a，b）为大气透明状况对总辐射的减弱函数，φ（s，n）表示天空遮蔽程度的减弱函数，s为相对日照，n为云量。
（一）太阳能的分布
我国总辐射的分布主要决定于云量及所处纬度和高度。根据计算我国总辐射的地理分布特点是：我国总辐射量大致为930～2840kW·h/（m2·a），由东向西递增。最小值在四川盆地，最大值在青藏高原。1600kW·h/（m2·a）这条等值线自大兴安岭西麓向西南至青藏高原东麓，将我国分为两大部分。
西部地区，总辐射由西南向北递减，最大值在青藏高原上，可达2600kW·h/（m2·a）以上。新疆和内蒙古西端远离海洋，受潮湿气候影响很弱，全年气候干旱，云量也少，总辐射较大，但由于海拔高度、纬度对总辐射影响更大，所以新疆的塔里木盆地和准噶尔盆地总辐射从全国来看是较大值，和青藏高原相比为相对较小区。
我国东部地区总辐射分布为：长江中下游小，向南北方向增加，最小在四川盆地，年总辐射在1000kW·h/m2以下。这一地区35～40°N总辐射分布情况与全球同纬度的总辐射分布规律相反，即总辐射随纬度的增高而增加。这种南低北高的现象正说明了我国季风气候的特点，太阳高度和海拔高度的差异，在这些地区不起主导作用。
根据以上特点结合实际应用可以将全国划分为四个太阳能利用区。即将1700kW·h/（m2·a）以上的地区，称为太阳能丰富区，大致包括青藏高原、西北大部和内蒙古西部和中部。1500～1700kW·h/（m2·a）称为太阳能较丰富区，包括华北、西北和青藏高原以及东北的西部、苏北豫北、广东南部和台湾海南的西部等。1200～1500kW·h/（m2·a）称为季节可利用区，分布在长江中下游地区；1200kW·h/（m2·a）以下为贫乏区，分布在川贵以及鄂西、湘西等。如图1所示。
图1 中国太阳能分布
（二）太阳能开发利用
我国目前太阳能利用最多最好的地区基本上集中在太阳能丰富区和较丰富区。太阳灶我国有10万台以上，而甘南和青藏高原占总数的70%以上，而且经济效益也很明显，太阳灶所节省的燃料价值，4年左右就相当于太阳灶的全部投资。太阳房在我国有2500幢以上，但各地经济效益不同。如在拉萨建筑太阳房比建筑普通房投资增加25%，这25%的投资靠在采暖时期内所节省的煤炭价值，在4～5年间就可全部回收。在准噶尔2～3年就可全部回收其投资。但到了北京、兰州需10～15年才能全部回收其投资。太阳能热水器我国有60万m2以上，需4～8年才能回收其投资。在北京大约需5年才可回收其全部投资。太阳能电池，不论在国内还是国外，都把它视为太阳能利用中最有前景的领域。目前硅材料的成本太贵，所以利用尚不普遍。新疆在阜康县的现代化畜牧业种羊场，建立了国内最大的一座5kW太阳能电池站。运行实践证明，发电可靠。对解决边远农牧区长期无电的问题具有战略意义。
二、风能资源及其开发利用
风能是每秒气流的动能即运动的功率（W），计算公式为
式中：ρ——空气密度；
A——风轮扫掠面积；
V——风速。
由于风轮在3m/s以上时才能启动，称为启动风速。但到20m/s以上时，风轮有破坏的危险，必须停止运行，称为停机风速或切出风速，所以将3～20m/s的风速称为有效风速，所计算的风能密度，称有效风能密度。3～20m/s出现小时数称为有效风能利用小时数。
根据计算结果，我国风能可分为风能丰富区、较丰富区、可利用区和贫乏区四个区（见表1）。按此将全国划分为4个风能区（见图2）。
表1 我国风能分区及占面积百分比
由图2可以看出：风能丰富区的面积较小，约占全国面积的8%，风能较丰富区占全国面积的18%，二者之和为26%。基本上分布在我国沿海、三北的北部和青藏高原北部三个地带内。这三个地带风速大和我国气候有密切关系，沿海由于海陆差以及台风的影响风速大，三北北部受冷空气直接入侵的影响，尤其是冬半年冷空气每每南下，每当冷锋过境总有较大的风速出现，青藏高原北部由于地势高，风速也较大，事实上我国目前的风力机的开发利用基本上都在这三个地带。
图2 中国风能分布
三北北部和青藏高原这两个风能带，地广人稀，经济文化落后，城市少，交通不便，农牧民居住分散，电网覆盖率极低，全国无电农牧户大部分在这一地带。青海原生产队有60%没有通电，甘肃农村有214万农户无电，占全省农户总数的66.5%。三北边远地区35万牧户中5%能用上电。青藏高原北部基本上无电网，但是这一地区正好风能资源丰富，加之风力机又适合分散的农牧区在这些地区开发利用，不但具有优越的自然条件，而且也有较好的社会和经济效益。按国家2000年计划90%农户用上电的设想，要完成这一任务，靠电网供电经济上不合算也不现实，只有发展新能源，而把风能作为解决农村能源问题的重要手段是恰当的，有益的。到1988年为止，这一地区有风机7万多台，基本上为1kW以下的小型风机，但也有大型的风机，如我国内蒙古与美国合作在东苏尼特左旗安装100kW 5台，又如新疆达坂城的三葛庄安装丹麦150kW 13台，100kW和50kW各一台，都已并网运行。
沿海风能带，城镇密集，人口稠密，经济发达，电网覆盖率高，与上述的三北地区正好相反，但这一地带仍存在能源问题。如山东每年供电缺100亿kW·h，成为这个地区影响经济发展和人民生活的严重制约因素。地处电网末梢的农村、渔村区用电就不能保证，所以大都有自备柴油发电机。全国柴油发电机组容量高达1300万kW，如烟台电网装机容量为20.6万kW，而柴油发电机组容量却有39万kW。东部沿海有90万渔户也是缺电。我国沿海在500m2以上的岛屿有6536个，有人居住的有450个。海岛是沿海地区电力供应薄弱环节，不是无电就是靠柴油发电，就是柴油发电每天晚上也只能在7—10时左右有电。所以这里的鱼虾无冷冻，腐烂严重，仅嵊泗每年就损失1000多万公斤。所以沿海及海岛风能丰富，发展中大型风力机或风力田（风电场）一方面解决生活用能，另一方面缓和生产用能。目前这一地带装有大中型风机并网运行，解决生产、生活用能，如山东荣成3台55kW，平潭4台200kW，嵊泗5台22kW，大陈岛2台22kW和3台55kW，海南东方2台55kW，南澳2台150kW、1台90kW，澎湖一台50kW等均已发电并网运行。
风能可利用区占全国面积约50%，分布在黄河和长江中下游、广东南部、新疆南部和青藏高原东部以及大小兴安岭长白山等地，这些地区为了解决农村能源还是可以利用的，只有在隘口、高山地形下仍有可能安装大型风机，但必须进行实地考察。
风能贫乏区以四川为中心，包括南岭山地、云南、广西南部以及塔里木盆地和雅鲁藏布江河谷，面积约占全国面积的24%，这些地区风能基本上不宜开发利用。
三、太阳能、风能开发利用的优点和困难
（一）太阳能、风能在开发利用上的优点
1.取之不尽，用之不竭。根据计算太阳至少还可像现在这样有60亿年，可以长期被利用，故以“取之不尽，用之不竭”来形容，所以人们称它为永久性能源。太阳射出的能量，地球上仅获得20万万分之一，即使这一点能量也是很可观的，地球表面一年可获得7.034×1024J的能量，它相当于燃烧200万亿t烟煤所发生的巨大热量。风能是太阳能的一种转化形式，有太阳就会有风。
2.不污染环境。人类利用矿物能源，必然释放出大量有害的物质，使人类赖以生存的环境受到破坏和污染。而太阳能、风能在利用中不会给环境带来污染，所以人们称它为清洁能源。
3.周而复始、可以再生。太阳能和风能在自然界可以不断生成并有规律地得到补充，故可称为再生能源。
4.就地可取，不需运输。太阳能、风能不论在高山、孤岛、草原等电网不易到达的地方都可以就地利用，这对解决偏僻地区的能源有很大的优越性。
（二）太阳能、风能利用中的困难
1.能量密度低，空气密度是水密度的1/773。在同样的流速下，要获得同样大的功率，风轮直径要相当水轮的27.8倍。太阳能密度也很低，在晴天平均能量密度为1kW/m2。故必须装置相当大的受光面积，才能采集到足够的功率，所以太阳能和风能是一种稀疏的能源，它给利用带来了困难。
2.能量不稳定。太阳能、风能对天气和气候非常敏感，所以它是一种随机性能源。虽有一定规律可循，但是其强度无时无刻不在变化。太阳能还有昼夜规律的变化。这种时有时无的不稳定性也给使用带来很大困难。
四、太阳能、风能利用的战略分析
1.克服太阳能、风能的两大困难。随着科学技术的进步，太阳能可以在地球同步轨道上建造两个巨大的太阳能电池，和地球同样的角度转动，不受地面天气的影响，能够连续发电，并以微波送电。风能利用可以建造高空风力电站，装备大的发电机，风叶用滑翔机置于高空，也不受地理条件和天气气候变化的影响。
2.沙漠建立太阳能发电站。我国有110万km2的沙漠，由于太阳能需要有充分的日照和大范围的聚光面积，这在沙漠地区是完全具备的。所以我国有这一优势。
3.海涂是建风力田的良好地带。海涂是大陆和海洋间的交缓地带。我国有18000多千米的海岸带，这些地区风能资源丰富，安装大型风机或风力田，不占农田。
4.太阳能和风能可以综合利用。因为我国夏季太阳能好、风能差，相反的冬季风能好、太阳能差，两者位相正好相反，取长补短。目前正在研制两者综合发电系统，这是大有前景的。
此外，风力提水、水力发电；太阳能电池或风力发电与柴油机结合发电系统等都是综合利用的好形式。
[1]本文收录在《气候》，科学技术文献出版社1990年版。