第一章 风与风能

第一节 风能基础知识 一、风的形成 风的形成是空气流动的结果，空气流动形成的动能称为风能。 空气的流动是由于不同区域空气的密度或者气压不同引起。大气压差是风产生的根本原因。 改变空气密度主要方法 （1）加热或冷却 （2）外力作用

二、影响地球表面空气流动的主要因素 1、太阳辐射 赤道和低纬度地区太阳高度角大，日照时间长，太阳辐射强度大，地面和大气接受热量多、温度高；高纬度地区太阳高度角小，日照时间短，地面和大气接受的热量少，温度低。 高纬度和低纬度之间的温度差异，形成南北之间的气压梯度，使空气做水平运动，风沿垂直于等压线的方向从高压向低压吹。 区分高压区和低压区

由于地球表面及空气间摩擦力的作用，地球自转过程中将带动地球表面的空气沿地球自转的方向流动。 2、地球自转 由于地球表面及空气间摩擦力的作用，地球自转过程中将带动地球表面的空气沿地球自转的方向流动。 地球自转使空气发生偏向的力称为地转偏向力。 由于地转偏向力和高低纬度间压差所引起的压力的合力成为主导地球表层空气流动的作用力。 3、地球表面陆地和海洋等地形分布的影响 （1）山坳和海峡改变气流运动的方向，使风速增大 （2）丘陵、山地因表面摩擦大而使风速减小 （3）山脉的阻挡作用导致局部风速的增加

（1）海陆地区差异（海陆风） 4、局部热效应的影响 冬季，风由大陆吹向海洋；夏季，风由海洋吹向大陆。（季风） （2）山区（山谷风） 白天，由谷地吹向山坡，谷风；夜晚，由山坡吹向谷底，山风。

三、风速与风向 风速：风移动的速度，即单位时间空气流动所经过的距离。

《风级歌》 0级烟柱直冲天，1级青烟随风偏， 2级轻风吹脸面，3级叶动红旗展， 4级带叶小树摇，5级枝摇飞纸片， 6级举伞步行艰，7级迎风走不便， 8级风吹树枝断，9级屋顶飞瓦片， 10级拔树由倒屋，11.12陆上很少见

风向：风吹来的方向。 风向玫瑰图：某地区某一期间各种风向出现的频率，通过放射状雷达图表示。 风向玫瑰图表示风向和风向的频率。 它是根据某一地区多年平均统计的各个方向和风速的百分数值，并按一定比例绘制，一般用十六个罗盘方位表示。玫瑰图上所表示风的吹向（即风的来向），是指从外面吹向地区中心的方向。

风的特性 特性：周期性、多样性、复杂性

第二节 风能资源的描述 1.风廓线 受到地表面植被、建筑物等的摩擦影响，越靠近地表面，风变得越弱。 第二节 风能资源的描述 1.风廓线 受到地表面植被、建筑物等的摩擦影响，越靠近地表面，风变得越弱。 植被、建筑物等的粗糙程度称为地表面粗糙长度，地表面粗糙长度越大，风就越弱。 风速随高度的变化（风剪切数据模型） ：

风廓线wind profile ：一定的地面粗糙长度下，风速随距地面高度的变化称为风廓线。

风速频率分布是某个期间的风速，通常以1m/s为一个风速的区域间，统计每个风速区间内风速出现的次数。以每个区间出现的次数占总次数的比例来表示。 2、风频分布 风速频率分布是某个期间的风速，通常以1m/s为一个风速的区域间，统计每个风速区间内风速出现的次数。以每个区间出现的次数占总次数的比例来表示。 国际IEA推荐测试方法——比恩法（Bins）： 根据对风频测试数据统计分析进行数学关系拟合，风频分布可威布尔（Weibull)分布、瑞利（Rayleigh)分布、对数正态分布三种数学模型表示。

风能的利用就是将流动空气拥有的动能转化为其他形式的能量。 3、风能计算 风能的利用就是将流动空气拥有的动能转化为其他形式的能量。 流动空气所具有的动能： 风能功率：风在单位时间垂直界面F所做的功 N·m/s 风能密度：风在单位时间垂直通过单位面积所做的功 W/m2 5m/s——75W/m2；10——600W/m2，15——2025W/m2，20——4800W/m2

4、有效可用风能 GB8974-88风力机名词术语的定义： 起动风速：风力机风轮由静止开始转动并能连续运转的最小风速； 切入风速：风力机对额定负载开始有功率输出时的最小风速； 切出风速（顺浆风速或停机风速）：由于调节器的作用使风力机对额定负载停止功率输出的风速； 工作风速：风力机对额定负载有功率输出的风速范围，一般为 3～ 2 0 m/ s。 额定风速（设计风速），设计参考风速，与额定功率向对应。

因此风力机械就有一个工作风速范围，即从切入风速到切出速度，称为工作风速，即有效风速。切入风速到切出速度(V1-V2)之间的风能称为有效风能。 有效可用风能的表达

5 风能利用率（贝兹极限） 水平轴风机在各类风机中具有最大风能利用率，其最大风能利用率为Cpmax=0.593

6地形与障碍物对风能的影响 6.1 障碍物的影响 风通过障碍物时将在附近特别是其后缘产生很强的涡流，该涡流在下风向远处逐渐减弱，涡流的强度和延伸长度与障碍物的大小、形状有关。 当障碍物的迎风宽度b与其高度zH的比（宽高比）b/zH≦5时，稳流区长度可达其高度的20倍。宽高比越小，紊流减弱越快；宽高比越大，涡流区越长。b>>zH的极端情况下，涡流区长度zH可达的35倍。 涡流扰动区的最大高度约为障碍物高度的zH2倍。当风力机叶片扫风最低点所处的高度是3zH时，障碍物高度对风力机的影响可以忽略。

6.2地形的影响 坡度适宜其脊梁与盛行风向垂直、表面裸露时对开发风能十分有利。风越过山顶及附近区域时，因空气流通截面的减小而加速。山顶处的风速可达山脚下风速的1.4~1.6倍。最合适坡度为10~22°。 对于长而且地表沿坡度平缓的山脊，其顶部及迎风面的上半部一般是最好的风场，但在其背风面，因其可能存在湍流面而不应该设置风力机。 在山的缺口、走向与风基本平行的山峡里，气流通道收敛的部位，风速提高，而在扩放的区域，风速减小，其易生成涡流

7 风场的选择原则 （1）在风能普查和详查的基础上，选择在风能丰富区。 （2）要求有尽量稳定的盛行风向（主导风向）。 （3）尽量避开灾害性天气频繁地带。 （4）由于蓄能装置替代风力机在静风期提供能量的能力有限，所以风场按月、年统计的静风期要短，这对单独工作而非并网的风力机显得更为重要。 （5）风力机叶轮直径所在的高度范围内风速的变化要小。 （6）在平坦地区安装风力机，选择地面粗糙度低的区域；四周3~5km范围内山丘高度不超过60m，风力机附件地面的坡度不超过1：30. （7）风力机安装地附近有建筑物时，应遵循以下要求：若建筑物位于盛行风向的上风位，在建筑物前安装的风力机，其安装地距建筑物应至少有2倍于建筑物高度的距离；在建筑物的下风向安装，风力机安装地距建筑物应至少有20倍于建筑物高的距离，且保证风力机叶片扫风最低点所处的高度应3倍于建筑物高度。 （8）在山区：山脊走向与盛行风向垂直、山尖不很平坦、上升坡度到山尖尽可能连续、坡度小于30°的山顶及其迎风面上半部是好的风场；在孤立山丘上，风速的增加小于风吹过山脊时的情形，在该处安装风力机的原则与山脊相同，然而如果盛行风向随季节变化很大，那么设在中等坡度孤立山丘上的风力机场地就会比同样风况山脊是哪个的场地更为优越。

第三节 我国风能资源情况 2004-2005年，中国气象局第三次全国风能资源普查，得出中国陆地10m高度层风能资源的理论值，可开发储量分别为32.26亿KW和43.5亿KW、技术可开发量分别为2.53亿KW和2.97亿KW的结论。 2003-2005年联合国环境规划署组织国际研究机构，采用数值模拟方法开展了风能资源评价的研究，得出中国陆地上离地面50m高度层风能资源技术可开发量可以达到14亿KW的结论。 2006年国家气候中心也采用数值模拟方法对中国风能资源进行评价，得到的结果是：在不考虑青藏高原的情况下，全国陆地上离地面10m高度层风能资源技术可开发量为25.48亿KW，大大超过第三次全国风能资源普查的数据

根据第三次风能资源普查结果，中国技术可开发（风能功率密度在150W/m2及其以上）的陆地面积约为20万Km2。考虑风电场中风电机组的实际布置能力，按照低限3MW/Km2、高限5MW/Km2计算，陆上技术可开发量为6亿～10亿KW。 根据《全国海岸带和海涂资源综合调查报告》，中国大陆岸浅海0～20m等深线的海域面积为15.7万Km2 。2002年中国颁布了《全国海洋功能区划》，对港口航运、渔业开发、旅游以及工程用海区等作了详细规划。如果避开上述这些区域，考虑其总量10%～20%的海面可以利用，风电机组的实际布置按照5MW/ Km2计算，则近海风电装机容量为1亿～2亿KW。 综合来看，中国可开发的风能潜力巨大，陆上加海上的总量有7亿～12亿KW，风电具有成为未来能源结构中重要组成的资源基础。

一、我国风能资源的特点 1、风能资源季节分布与水能资源互补： 2、风能资源地理分布与电力负荷不匹配： 中国风能资源丰富但季节分布不均匀，一般春、秋和冬季丰富，夏季贫乏。水能资源丰富，雨季在南方大致是3月到6月，或4月到7月，在这期间的降水量占全年的50%～60%；在北方，不仅降水量小于南方，而且分布更不均匀，冬季是枯水季节，夏季为丰水季节。丰富的风能资源与水能资源季节分布刚好互补，大规模发展风力发电可以一定程度上弥补中国水电冬春两季枯水期发电电力和电量之不足。 2、风能资源地理分布与电力负荷不匹配： 沿海地区电力负荷大，但是其风能资源丰富的陆地面积小；北部地区风能资源很丰富，电力负荷却很小，给风电的开发带来经济性困难。由于大多数风能资源丰富区，远离电力负荷中心，电网建设薄弱，大规模开发需要电网延伸的支撑。

二、我国风能的三级区划指标体系 第一级区划指标：主要考虑有效风能密度的大小和全年有效累积小时数。 风能丰富区（ “Ⅰ”区）：将年平均有效风能密度大于200W／m2、 3～20m八风速的年累积小时数大于5000h； 风能较丰富区（ “Ⅱ”区）：将150～200W／ m2 、 3～20m／s风速的年累积小时数在3000～5000h的划为； 风能可利用区（“Ⅲ”区）：将50～150W／ m2 、3～20m／s风速的年累积小时数在2000～3000h； 风能贫乏区（“ Ⅳ”区）：将50W／ m2以下、3～20m／s风速的年累积小时数在2000h 以下。

　第二级区划指标：主要考虑一年四季中各季风能密度和有效风力出现小时数的分配情况，即风能的季节性变化。 利用1961～1970年间每日4次定时观测的风速资料，先将483个站风速≧3m／s的有效风速小时数点成年变化曲线。然后，将变化趋势一致的归在一起，作为一个区。再将各季有效风速累积小时数相加，按大小次序排列。这里，春季指3～5月，夏季指6～8月，秋季指9～11月，冬季指12、1、2月。分别以 1、2、3、4表示春、夏、秋、冬四季。如果春季有效风速（包括有效风能）出现小时数最多，冬季次多，则用“14”表示；如果秋季最多，夏季次多，则用“32”表示； 其余依此类推。

　第三级区划指标：风力机的最大工作风速 风力机最大设计风速一般取当地最大风速。在此风速下，要求风力机能抵抗垂直于风的平面上所受到的压强。使风机保持稳定、安全，不致产生倾斜或被破坏。由于风力机寿命一般为20～30年，为了安全，我们取30年一遇的最大风速值作为最大设计风速。根据我国建筑结构规范的规定，“以一般空旷平坦地面、离地10m高、 3 0年一遇、自记10min平均最大风速”作为进行计算的标准。计算了全国700多个气象台、站30年一遇的最大风速。按照风速，将全国划分为4级：风速在35～40m／s以上（瞬时风速为50～60m／s），为特强最大设计风速，称特强压型；风速30～35m／s（瞬时风速为40～50m／s），为强设计风速，称强压型；风速25～30m／s（瞬时风速为30～40m／s），为中等最大设计风速，称中压型；风速25m／s以下，为弱最大设计风速，称弱压型。4个等级分别以字母a、b、c、d表示。

根据上述原则，可将全国风能资源划分为4个大区、30个小区，各区地理位置： I区：风能丰富区。 ⅠA34a—东南沿海及台湾岛屿和南海群岛秋冬特强压型。 ⅠA21b—海南岛南部夏春强压型。 ⅠA14b—山东、辽东沿海春冬强压型。 ⅠB12b—内蒙古北部西端和锡盟春夏强压型。 ⅠB14b—内蒙古阴山到大兴安岭以北春冬强压型。 ⅠC13b-c—松花江下游春秋强中压型。

Ⅱ区：风能较丰富区 ⅡD34b—东南沿海（离海岸20～50km）秋冬强压型。 ⅡD14a—海南岛东部春冬特强压型。 ⅡD14b—渤海沿海春冬强压型。 ⅡD34a—台湾东部秋冬特强压型。 ⅡE13b—东北平原春秋强压型。 ⅡE14b—内蒙古南部春冬强压型。 ⅡE12b—河西走廊及其邻近春夏强压型。 ⅡE21b—新疆北部夏春强压型。 ⅡF12b—青藏高原春夏强压型。

Ⅲ区：风能可利用区 ⅢG43b—福建沿海（离海岸50～100km）和广东沿海冬秋强压型。 ⅢG14a—广西沿海及雷州半岛春冬特强压型。 ⅢH13b——大小兴安岭山地春秋强压型。 ⅢI12C—辽河流域和苏北春夏中压型。 ⅢI14c—黄河、长江中下游春冬中压型。 ⅢI31c—湖南、湖北和江西秋春中压型。 ⅢI12c—西北五省的一部分以及青藏的东部和南部春夏中压型。 ⅢI14c—川西南和云贵的北部春冬中压型。

Ⅳ：风能贫乏区 ⅣJ12d—四川、甘南、陕西、鄂西、湘西和贵北春夏弱压型。 ⅣJl4d—南岭山地以北冬春弱压型。 ⅣK14d—雅鲁藏布江河谷春冬弱压型。 ⅣK12c—昌都地区春夏中压型。 ⅣL12c—塔里木盆地西部春夏中压型。

第三节 我国风能资源分区 （1）最大风能资源区 东南沿海及其岛屿：有效风能密度≥200W/m2的等值线平行于海岸线，沿海岛屿的风能密度>300以上，有效风力出现时间百分率达80~90%， ≥3m/s的风速全年出现时间约为7000~8000h， ≥6的风速也有4000h。 特点：向内陆地区迅速衰减，不到100Km的地带，风能密度降至50W/m2，成为全国风能最小区。

（2）次最大风能资源区 内蒙古和甘肃北部，该地区终年为西风带控制，而其又是冷空气入侵首当其中的地方，风能密度为200~300W/m2，有效风力出现时间百分率为70%， ≥3的风速全年有5000h以上， ≥6的风速有2000h以上。 特点：由北向南逐渐减少，但幅度小于东南沿海。该地区虽然风能密度较东南沿海为小，但其分布范围较广，是我国连成一片的最大风能资源区。

（3）大风能资源区 黑龙江和吉林东部以及辽东半岛沿海。风能密度在200W/m2以上， ≥3和6的风速全年累积时数分别为7000和3000.

（4）较大风能资源区 青藏高原、三北地区的北部和沿海。这个地区（出去前述部分）风能密度在150~200W/m2之间， ≥3的风速全年累积为4000~5000h， ≥6的风速全年累积为3000以上。 其中青藏高原≥3的风速全年累积可达6500h，但由于青藏高原海拔高、空气密度小，所以风能密度相对较小，在4000m的高度，空气密度为地面的67%，也就是所同样的8的风速，在平地为313.6W/m2，而在4000m的高度却只有209.3。因此如按3和6的风速出现的时数算，青藏高原属于最大区，但实际小于东南沿海。

（5）最小风能资源区 云贵川，甘肃、陕西南部，河南、湖南西部，福建、广东、广西的山区以及塔里木盆地。有效风能密度在50以下，可利用的风力仅有20%左右， ≥3的风速全年累积时数在2000h以下， ≥6的风速在150h以下。 其中四川盆地和西双版纳地区风能最小，全年静风频率在60%以上， ≥3的风速全年累积仅300h， ≥6的风速仅20h。

（6）可季节利用的风能资源区 （4）和（5）地区以外的广大地区，季节性较强。