沿海滩涂风力提水节能效果初探
韦 宁
（盐城市经济贸易委员会，江苏 盐城 224007）
摘 要：本文通过对盐城市沿海两县（市）风力资源的调查和整理，就沿海滩涂利用风力提水的节能效果作初步探讨，并提出自己的建议。
关键词：沿海滩涂；风力提水；节能
一、引 言
盐城地处苏北平原中部，东临黄海，西襟淮扬，南与南通市接壤，北与连云港市毗邻，是江苏省面积最大的市。盐城海域位于江苏沿海中部，滩涂辽阔，资源丰富，生态独特。海岸线南起东台市的新港闸，北至响水县的灌河口，全长共约582km，占全省的56%；沿海湿地滩涂总面积4550km2（含辐射沙洲），其中潮上带1677 km2，潮间带1610 km2，分别占全省的75%、64.6%、60.8%。隶属于东台、大丰、射阳、滨海、响水等县（市）的沿海滩涂，近期可供开发利用的面积达1300 km2。目前，射阳河口以南沿海地段还以每年10多km2的成陆速度向大海延伸，平均每年向东推进250m左右，被称之为“黄金海岸”，是江苏省最大、最具潜力的土地后备资源。江苏省委、省政府提出要大力实施沿海开发战略，加快建设沿海经济带，把盐城建成长三角的绿色食品基地。大规模的滩涂改造工程必须解决提水动力问题，用机电、柴油机提水，经济上划不来，且当前常规能源紧张，而沿海滩涂风力资源丰富，可作为海水晒盐、水产养殖、芦苇田养鱼、海涂改造的提水动力。鉴于目前国内新研制的低扬程、大流量的风力提水机组在沿海滩涂还没有大面积应用，对风力提水的经济效益缺乏第一手资料，我们根据国家计委、农业部和江苏省科技厅下达的“沿海滩涂风能利用示范试验及风力机具的研制”（ “农村能源科研计划”，国计〔1993〕1428号）和“风力机在我国沿海滩涂的应用研究”项目（“江苏省新产品试制计划”，编号：Z921942）的要求，在我市大丰、射阳两地进行了风力提水示范试验，以分析其节能效果。
二、盐城风能利用的分析
1、风速
我们以盐城市两县（市）气象台提供的气象资料为例，来说明盐城的风能情况，这两个县（市）年、月平均风速见表1。
表1 盐城市两县（市）年、月平均风速（m/s）
|
月 份
地 点 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
年平 |
|
大丰 |
4.0 |
4.3 |
4.6 |
4.8 |
4.3 |
3.9 |
3.7 |
3.5 |
3.3 |
3.4 |
3.8 |
3.9 |
4.0 |
|
射阳 |
3.3 |
3.5 |
3.8 |
4.1 |
3.6 |
3.3 |
3.0 |
2.8 |
2.6 |
2.6 |
3.0 |
3.2 |
3,2 |
根据国内资料，一般高速风力机的开始工作风速为4.5m/s，低速风力机的开始工作风速为3—3.5m/s，结合我市年、月平均风速情况，取3.5m/s为开始有效风速，由于我市历年来8级以上风速的累积时间很少，取20.4m/s为最终有效风速，故有效风速的范围为3.5—20.4m/s。
2、有效风速时数
盐城市两县(市)年、月有效风速时数见表2。
表2 盐城市两县（市）年、月有效风速时数
（有效风速 3.5—20.4m/s）
|
月 份
地 点 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
全年 |
|
大丰 |
392 |
431 |
370 |
366 |
431 |
379 |
353 |
327 |
301 |
314 |
366 |
392 |
4522 |
|
射阳 |
301 |
327 |
366 |
405 |
340 |
301 |
262 |
236 |
210 |
210 |
262 |
288 |
3508 |
3、有效风速频率
盐城市两县(市)年、月有效风速频率见表3。
表3 盐城市两县（市）年、月有效风速频率（%）
（有效风速 3.5—20.4m/s）
|
月 份
地 点 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
全年 |
|
大丰 |
53.7 |
59.0 |
64.4 |
50.1 |
59.0 |
51.9 |
48.4 |
44.8 |
41.2 |
43.0 |
50.1 |
53.7 |
51.6 |
|
射阳 |
41.2 |
44.8 |
50.1 |
55.5 |
50.1 |
41.2 |
35.9 |
32.3 |
28.8 |
28.8 |
35.9 |
39.5 |
40.0 |
4、有效风能密度
盐城市两县(市)年、月有效风能密度见表4。
表4 盐城市两县（市）年、月有效风能密度（w/m2）
（有效风速 3.5—20.4m/s）
|
月份
地点 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
年平 |
|
大丰 |
143 |
158 |
173 |
183 |
158 |
138 |
128 |
118 |
108 |
113 |
113 |
138 |
140.9 |
|
射阳 |
108 |
118 |
133 |
148 |
123 |
108 |
93 |
83 |
73 |
73 |
93 |
103 |
104.7 |
5、有效风能
盐城市两县(市)有效风能见表5。
表5 盐城市两县（市）年、月有效风能（kw·h/m2）
（有效风速 3.5—20.4m/s）
|
月份
地点 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
全年 |
|
大丰 |
56.1 |
68.1 |
81.3 |
90.8 |
68.1 |
52.3 |
45.2 |
38.6 |
32.5 |
25.7 |
48.7 |
52.3 |
659.7 |
|
射阳 |
32.5 |
38.6 |
48.7 |
59.9 |
41.8 |
32.5 |
24.4 |
19.6 |
15.3 |
15.3 |
24.4 |
29.7 |
382.7 |
有效风能在实际运用中由于受多种因素影响，不可能全部得到利用，影响的因素有：
（1）风力机的额定风速
盐城大丰市年平均风速为4 m/s，取此年平均风速为本区额定风速的依据，额定风速为6.4 m/s，取其上限，即额定风速以7 m/s为宜。由于沿海滩涂风况大于内陆地区，额定风速也可取为8 m/s。
盐城市两县（市）年、月实际有效风能见表6。
表6 盐城市两县（市）年、月实际有效风能（kw·h/m2）
|
月份
地点 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
全年 |
|
大丰 |
43.3 |
49.8 |
56.3 |
60.7 |
49.8 |
41.5 |
36.8 |
32.5 |
28.1 |
30.3 |
39.0 |
41.1 |
509.2 |
|
射阳 |
28.1 |
32.5 |
39.0 |
45.5 |
34.6 |
28.1 |
21.6 |
17.3 |
12.9 |
12.9 |
21.6 |
25.9 |
320.0 |
（2）风力机的风能利用系数ζ和平均风能利用系数ζ。
风能利用系数的极限值为0.593，FD—7型风力机的风能利用系数为0.26，本文暂用此值。
（３）风力机传动效率η1
暂取０.7—0.8。
（4）提水机具总效率η2
往复活塞泵约为０.9，小型离心泵约为０.6—0.7，钢管水车约为０.4—0.5。
（5）风力提水机组满载系数K
暂取０.8。
风力提水机组实用有效风能:
E0年(月) = E年(月) ·ζ。·η1·η2·K
式中：E0年(月) —年、月实用有效风能（kw·h/m2）；
E年(月) —年、月实际有效风能（kw·h/m2）；
ζ。—平均风能利用系数；
η1—风力机传动效率；
η2—提水机具总效率；
K—风力提水机组满载系数。
由上分析，可知：
（1）我市各县年平均风速在4 m/s左右，是风能资源比较丰富的地带，此区可利用风能进行提水，作为滩涂提卤制盐、海水养殖、芦苇田养鱼、农田排灌和海涂改造的动力。
（2）根据表1可知，我市各县（市）为风能可利用区，虽然有效风能值不太高，但只是说大于6 m/s的较高风速小时数不多，如低速风力机最低在3m/s运行，则其运转时间约占全年的70%；如高速风力机最低在4 m/s运行，则其运转时间最多占全年的50%。两者相比，我市以采用低速风力提水机为合适。此外，本市年平均风速在4 m/s左右，高速风力机额定风速与低速风力机额定风速一样提不高，也使高速风力机显示不出优越性，但适应于低速风力机运行的有效风速频率较高，风能利用时间较长。
综上所述，盐城沿海滩涂风能利用不仅是可能的，而且十分必要，具有广阔的发展前景。
三、沿海滩涂利用风力提水节能效果初探
影响风能应用于滩涂提水节能效果的因素很多，如选用什么样的风力提水机组，当地的风能资源情况、降雨量、提水扬程以及推广使用风力提水机组的政策等。本文仅就前几个因素进行探讨。
1、风力提水机组的性能
FD—7型风力提水机组主要性能参数：
风轮直径 7 m；风轮仰角 10 o；叶片数 8；标准高速性系数 1.62；额定风速 8 m/s；最大风能利用系数 0.26；工作风速范围 3—15 m/s；风轮中心距地面高度 7 m；总传动比 1.252；传动效率 0.732；提水机具总效率 0.4—0.5; 提水扬程 1—3 m。
FD—7型风力提水机组的实用有效风能:
E0年(月) = E年(月) ·ζ。·η1·η2·K=0.06 E年(月)
2、利用风力提水机节约能源
（1）柴油的估算
柴油机理论提水量： Q=270P/H
柴油机实际提水量： Q柴=Q·η3·η4
式中：P—柴油机每小时输出功率；
η3—皮带传动效率，取0.9；
η4—提水机具总效率，取0.6；
H—提水扬程（m）。
即Q柴=145.8 P/H（m3）…………………………………（1）
（2）风力提水机组理论提水量的计算
风力提水机组理论提水量： Q=367.2EF/H（m3）
风力提水机组实际提水量： Q风=367.2E0F/H
因F=πD2/4， E0=0.06 E
故Q风=17.3ED2/H=847.8 E/H（m3）……………………（2）
式中：Q风—FD—7型风力提水机组实际提水量（m3）；
E—实际有效风能（kw·h/m2）；
H—提水扬程（m）；
D—风力机风轮直径（m），为7 m。
（3）若柴油机提水和风力机组在同样的扬程下提相同量的水，则由（1）和（2）式可得 P=5.8E
则G风柴=P·g=5.8E×0.195=1.13E
G风机=0.03G风柴
式中: G风柴、G风机—使用一台FD—7型风力提水
机组所节约的柴、机油（kg）；
g—S195柴油机油耗。
表6为盐城市两县（市）使用一台FD—7型风力提水机组所能节约的机、柴油。
表6 盐城市两县（市）使用一台FD—7型风力
提水机组所能节约的机、柴油（kg）
|
月份
地点 |
1
柴油 |
1
机油 |
2
柴油 |
2
机油 |
3
柴油 |
3
机油 |
4
柴油 |
4
机油 |
5
柴油 |
5
机油 |
6
柴油 |
6
机油 |
|
大丰 |
48.9 |
1.47 |
56.3 |
1.69 |
63.6 |
1.90 |
68.6 |
2.06 |
56.3 |
1.69 |
46.4 |
1.39 |
|
射阳 |
31.8 |
0.95 |
36.7 |
1.10 |
44.1 |
1.32 |
51.4 |
1.54 |
39.1 |
1.17 |
31.8 |
0.95 |
|
月份
地点 |
7
柴油 |
7
机油 |
8
柴油 |
8
机油 |
9
柴油 |
9
机油 |
10
柴油 |
10
机油 |
11
柴油 |
11
机油 |
12
柴油 |
12
机油 |
|
大丰 |
41.6 |
1.25 |
36.7 |
1.10 |
31.8 |
0.95 |
34.2 |
1.03 |
44.1 |
1.32 |
46.4 |
1.39 |
|
射阳 |
24.4 |
0.73 |
19.4 |
0.59 |
14.6 |
0.44 |
14.6 |
0.44 |
24.4 |
0.73 |
29.8 |
0.88 |
由表6可知：大丰市使用一台FD—7型风力提水机组，全年使用可节约柴油574.9kg，机油17.2 kg；射阳县使用一台FD—7型风力提水机组，全年使用可节约柴油361.7kg，机油10.9 kg。
四、结论和设想
盐城沿海湿地滩涂面积683万亩，由于滩涂面积巨大，用柴油机浇灌不经济，而这里风力资源比较丰富，属于我国风能资源储量的中上等地区，历史上曾以大面积应用风车而闻名，因此充分利用风能这一自然资源，进行滩涂改造，发展多种经营是一项最为经济、快速开发滩涂资源的重大措施。
为此，我们提出如下设想：
1、在沿海滩涂围垦造田，在每50亩土地上，配备一套低速风力提水机组，在广阔的滩涂上，建立风力机群，以解决提水动力问题。
2、用风力提水机组在滩涂上大力发展水产养殖业、渔业、林业、畜牧业、农业、制盐业和芦苇灌溉等，综合开发滩涂的自然资源。
为了适应沿海滩涂风能利用的需要，要求设计出性能较好、坚固耐用、价格低廉的风力提水机来。目前研制的风力提水机大多难以满足沿海滩涂需要。在设计风力提水机时，结合滩涂特点，要注意以下几个问题：
（1）把风力机组开始工作风速尽可能降低到小于3 m/s。根据调查统计，额定风速以8m/s为宜。
（2）能自动调速调向，做到日夜运转，不需经常有人看管。结构要牢固，能经受10级大风的袭击，抗腐蚀性能要好。
（3）造价要低。因沿海滩涂风力机需要量大，因此在设计、制造、配套、销售等每个环节都要采取措施，使风力机成为价廉物美的商品。但目前大幅度降低造价难度很大，为此需要对沿海滩涂风能利用采取扶持政策。
（4）要重视提水机具的研究。目前国内外风力提水机具大多为垂直活塞泵、钢管水车、螺旋泵等，活塞泵适用于井灌，扬程高、流量小，除了适合于供应草原牧区人畜饮水外，不能满足沿海滩涂低扬程、大流量的需要。现在与风力机配套的钢管水车、螺旋泵等流量较大，是目前低速风力机较好的配套工具，但它的工作特性与风力机的工作特性不相吻合，且只适合于1—2 m低扬程的要求（沿海滩涂提水扬程在3m左右）。为此针对风力机转速低的特点，需要设计出适合沿海滩涂3m左右扬程的风力提水机具，并且流量要尽可能大。
| 
