第一章风与风能

第一章风与风能一、风风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射热引起的。太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气的对流运动形成风。据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2％转化为风能，但其总量仍是十分可观的。全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。我国位于亚洲大陆东南、濒临太平洋西岸，季风强盛。全国风力资源的总储量为每年16亿kW，近期可开发的约为1.6亿kW，内蒙古、青海、黑龙江、甘肃等省风能储量居我国前列。风的全球分布大气环流：一般是指具有世界规模的、大范围的大气运行现象，既包括平均状态，也包括瞬时现象，其水平尺度在数千公里以上，垂直尺度在10km以上，时间尺度在数天以上。大气环流既是地－气系统进行热量、水分、角动量等物理量交换以及能量交换的重要机制，也是这些物理量的输送、平衡和转换的重要结果。太阳辐射在地球表面的非均匀分布是大气环流的原动力。赤道与南北纬30度之间的大气环流系统北纬30度至60度之间的大气环流系统北纬60度至北极之间的大气环流系统全球大气环流示意大气环流-形成原因1.太阳辐射，是地球上大气运动的能量来源，由于地球的自转和公转，地球表面接受太阳辐射能量是不均匀的。热带地区多，而极区少，从而形成大气的热力环流。2.地球自转，在地球表面运动的大气都会受地转偏向力作用而发生偏转。3.地球表面海陆分布不均匀。4.大气内部南北之间热量、动量的相互交换。以上种种因素构成了地球大气环流的平均状态和复杂多变的形态。低纬度环流

低纬度环流：是一个封闭的环流，由温暖潮湿空气从赤道低压地区上升开始，升至对流层顶，向极地方向迈进。直到南北纬30度左右，这些空气在高压地区下沉。部分空气返回地面后于地面向赤道返回，形成信风，完成低纬度环流。低纬度环流基本活动在热带地区，是在太阳直射点引导下，以半年周期往返南北。

极地环流

极地环流：南北纬地区仍然有足够热力和水分进行对流，当气流流往极地，它的温度已经大大降低，在这高压干燥寒冷的地区下沉，受地转偏向力影响向西偏转，形成极地东风。极地环流同样是一个简单的系统，虽然相比赤道的空气，这里的空气比较寒冷干燥，但仍然有足够热力和水分进行对流，完成热循环。本环流的活动范围限于对流层内，最高也只到对流层顶（8公里）。往极地的气流主要集中在空中，而赤道方向的气流主要集中在地面。中纬度环流

中纬度环流是一个次要的环流，依靠其余两个环流而出现。在南面处于低纬度环流之上，在北面又漂浮在极地环流上。信风可以在低纬度环流以下找到，相同地西风带也可以在中纬度环流下找到。与低纬度环流和极地环流不同，中纬度环流并不是真正闭合的循环，不像信风和极地东风那样，有所属的环流捍卫着它们在该区的主导地位。盛行西风常常听命于经过的气象系统。在上空通常由西风主导，但是在地表风向可以随时突然改变。

风的形成原因太阳的辐射造成地球表面受热不均，引起大气层中压力分布不均，形成气压梯度，在气压梯度力作用下，空气垂直于等压线从高压区向低压区流动，空气这样沿水平方向运动，形成风。（例如赤道和高低维度区域）风形成的原因能量来源：地球上某处所接受的太阳辐射能正是与该地点太阳照射角的正弦成正比。动力源：太阳能正是形成大气压差的原因。介质：从全球尺度来看，大气中的气流是巨大的能量传输介质，地球的自转以进一步促进了大气中半永久性的行星尺度环流的形成。风的形成1)当太阳光照射到地球表面时，地球被加热，而陆地和海洋的吸收热量的速度是不同的，陆地吸收热的速度比海洋快的多。2)陆地上方的空气加热速度要比海洋上更快，陆地上的热空气上升到一定高度后冷却。3)这些冷空气逐渐向海洋上方移动，在这里下沉并被向陆地方向挤压，空气向陆地的流动就是我们所说的风。

风的类型风受到大气环流、地形、水域的影响，表现形式多种多样，如季风、地方性海陆风、山谷风、台风等。季风定义：在大陆和海洋之间大范围盛行的、风向随季节变化显著的风系，和风带一样同属于行星尺度的大气环流系统。形成季风最根本的原因：海陆热力性质的差异导致海陆气压中心的季节变化，是形成季风环流的主要原因。它可分为冬季风、夏季风。季风冬季盛行东北风，夏季盛行西南风季风对季风的认识：

（1）季风是大范围地区的盛行风向随季节改变的现象，这里强调“大范围”是因为小范围风向受地形影响很大；

（2）随着风向变换，控制气团的性质也产生转变，例如，冬季风来时感到空气寒冷干燥，夏季风来时空气温暖潮湿；

（3）随着盛行风向的变换，将带来明显的天气气候变化。与纬度和季节的关系海陆影响的程度，与纬度和季节都有关系。冬季中、高纬度海陆影响大，陆地的冷高压中心位置在较高的纬度上，海洋上为低压。夏季低纬度海陆影响大，陆地上的热低压中心位置偏南，海洋上的副热带高压的位置向北移动。行星风带的季节移动，也可以使季风加强或削弱，但不是基本因素。

海陆风白昼海陆风夜间陆海风海陆风是因海洋和陆地受热不均而在海岸附近形成的一种有日变化的风系。在基本气流微弱时，白天风从海洋吹响陆地（海风），夜晚风从陆地吹响海洋（陆风）。增温快

（热源）增温快

（热源）增温慢

（冷源）谷风山谷风谷风的形成山谷风降温快（冷源）降温快（冷源）降温慢（热源）山风山风的形成台风台风定义是发生在热带海洋上强烈的气旋，一边绕自己的中心急速旋转，一边随周围大气向前移动。形成原因：在海洋温度超过26℃以上的热带或副热带海洋上，由于近洋面温度高，大量空气膨胀上升，使近洋面气压降低，外围空气源源不断的补充流入上升，受地转偏向力的影响，流入的空气旋转起来，而上升的空气膨胀变冷，其中水汽冷却凝结形成水滴时放热，又促使低层空气上升，这样近地面的气压下降的更低，空气旋转的更加激烈，最后相成台风。台风形成的条件要有广阔的高温、高湿大气；要有低层大气向中心辐合、高层向外扩散的初始扰动，而且高层辐散必须超过低层辐合，维持足够的上升气流，低层扰动不断加强；垂直方向的风速相差不能太大，上下层相对运动很小，使初始扰动中水汽凝结所释放的潜热集中保存到台风眼；要有足够大的地转偏向力，有利于气旋型涡旋生成。二、风向与风速风向风速起动风速切除风速有效风速风速级别影响风速的主要因素瑞利分布公式

二、风向与风速风是一种矢量，通常用风向与风速两个要素表示。风向是指风吹来的方向，如果风是从北方吹来就称为北风。风速是表示风移动的速度，即单位时间内空气流动所经过的距离。显然风向和风速这两个参数都是在变化的。

在一定的时间范围内，某风向出现的次数占各风向出现的总次数的百分比，称作风向频率。

在陆地上观测风向用16个方位（海上用32个方位）风速风速风在单位时间内所流过的距离称为风速V，单位m/s。（1）在某一瞬间测得的风速叫瞬时风速。在某一段时间内，瞬时风速的算术平均值，称作平均风速。（2）在一定时间内，相同风速出现的时数占测量总时数的百分比，称作风速频率；在求得平均风速的限定时间内，最大风速与最小风速之差，称为风速变幅。风速（3）可使风力机起动运行的风速是起动风速；限制风力机超速运行的上限风速称为切除风速（4）国内通常取3m/s为起动风速，20m/s为切除封锁，故把3~20m/s的风速称为有效风速。及此算出来的风速频率和风能分别称为有效风频和有效风能。风速级别

风的随机性变化

风速是不断变化的，一般所说的风速是指变动部位的平均风速。通常自然风是一种平均风速与瞬间激烈变动的紊流相重合的风。紊乱气流所产生的瞬时高峰风速也叫阵风风速。脉动风速：某时刻t，空间某点上的瞬时风速与平均风速的差值。风随时间的变化

风随时间的变化，包括每日、月的变化和季节的变化。日变化：一天之中风的强弱在某种程度上可以看作是周期性的。如地面上夜间风弱，白天风强；高空中正相反是夜里风强，白天风弱。临界高度约为50～150m。平均日风速变化夏季无云时增强，冬季多元时减弱。月变化：有些地区，在一月内，会发生周期为一天或者几天的风速变化。主要是热带气旋和热带波动所造成。例如中纬度地区，每10天又一次强风是十分显著的。季变化：季节变化，太阳和地球的相对位置也发生变化，使地球上存在季节性的温差。因此风向和风的强度也会发生季节性变化。我国大部分地区风的季节性变化情况是：春季最强，冬季次之，夏季最弱。当然也有部分地区例外，如沿海温州地区，夏季季风最强，春季季风最弱。影响风速的主要因素①垂直高度；②地形地貌；③地理位置；④障碍物。风速与地面粗糙度粗糙的表面比光滑的表面更容易在近地面中形成湍流，使得垂直混合更为充分，混合作用越强，近地面内的风速梯度就减小，因此同一高度，粗糙的表面的风速小。a风速廓线指数：反应风速随高度增加的快慢，a值大即风速梯度大。海面、海岛a值0.12；乡村、田野a值0.16；城市a值0.2；建筑物多的市区a值0.3风随高度的变化

2m约100m约1km底层下部摩擦层上部摩擦层自由大气地面境界层摩擦层（大气境界层）风速与高度地面境界层内空气流动受涡流、黏性和地面植物及建筑物等的影响，风向基本不变，但越往高处风速越大。符合指数分布规律。地形对风的影响地形会造成风速差异，不同地形的风速和空旷平地的风速比值（如下表）可以推算相似地形下的风速。不同地形下风速与平坦地面风速比值表

地形平

地

平

均

风

速3~5米／秒6~8米／秒比

值山间盆地0.95~0.850.85~0.75弯曲河谷地0.80~0.700.70~0.60山瘠背风坡0.90~0.800.80~0.70山瘠迎风坡1.10~1.201.10多变性——风速与风向总是在不断的变化，完全是随时间随机的变化规律性——随昼夜、季节变化，风速、风向产生变化高度——风速随高度的增加而变大地形地貌——对风速的影响狭管作用摩擦作用山谷风效应绕流作用风的特点三、风的能量

风能有效风能

风能玫瑰图

因空气流做功而提供给人类的一种可利用的能量。空气流具有的动能称风能。空气流速越高，动能越大。1秒钟通过面积为A的空气所具有的动能，称之为风所具有的功率。1秒钟通过1m2面积的空气所具有的动能，称之为风能密度，是评价风能资源的重要参数。风能的概念

风能密度风能密度与空气密度有直接关系一般，海边地势地，气压高，空气密度大，风能密度就高。高山气压低，空气稀薄，风能密度就小些。如果高山风速大、气温低仍有相当大的风能潜力。风能的计算风能密度的计算公式：风能ω=0.5ρν3A风能密度W=（ρ∑Niνi3）/（2N）式中W——平均风能密度，W/m2νi——等级风速，m/sNi——等级风速νi出现的次数N——各等级风速出现的总次数ρ——空气密度，kg/m3有效风能

有效风能：可利用的风能，对于风能转换装置而言，切入风速和切出风速之间的风速段，这个范围内的风能即有效风能计算某地一年内风能的大小，不能简单的用年平均风速，还要考虑风速分布的情况。将年有效风能除以年有效风速持续小时数，即得到有效风能密度。风玫瑰图风玫瑰图——一个给定地点一段时间内的风向分布图。通过它可以得知当地的主导风向。最常见的风玫瑰图是一个圆，圆上引出16条放射线，它们代表16个不同的方向，每条直线的长度与这个方向的风的频度成正比。是反映风能资源的特性。根据风能玫瑰图即可以看出哪个方向的风具有能量的优势。风玫瑰图风能玫瑰图在极坐标图上绘出给定地一年内各方向风能值的统计图。风能资源的特点风能资源的优点可再生资源，取之不尽，用之不竭；偏远地区、海滨、居民分散的无电或少电地区，风能资源较丰富，值得开发利用。开发利用风能，不污染环境，不影响生态平衡。把风能转换成机械能，办法比较简单，容易实现。风能资源的特点风能资源的缺点风能常随季节、昼夜变化，需要储能设备；风能密度比较低，要获得大功率，风力机的风轮需要做的很大。风能受地形地物的影响较大。四、中国风能资源区划及分布特点

世界风能利用及发展状况我国风能风能利用及发展状况风能利用潜力和目标我国风能资源区域划分及分布特点地球风能约为2.74×109MW可利用风能为2×107MW，是地球水能的十倍只要利用上地球1%的风能就能满足全球能源的需要降低成本，提高产出，是普及风能发电必须克服的障碍世界风能资源

人类开发利用风能的历史风帆助航、风力发电、风车提水风电路灯微型风力发电机风车世界风能的发展历史欧洲利用风能的历史12世纪风车从中东传入欧洲。16世纪，荷兰人利用风车排水、与海争地，在低洼的海滩上建国立业。在蒸汽机出现之前，风力机械是动力机械的一大支柱，但因竞争不过蒸汽机、内燃机等而被淘汰。19世纪丹麦人首先研制了风力发电机。1891年，丹麦建成世界第一座风力发电站。20世纪70年代后，风力发电蓬勃发展。21世纪中叶，风能成为世界能源供应的支柱之一。美国世界上风力机装机容量最多的国家，超过2X104MW，每年还以10％的速度增长瑞典、荷兰、英国、丹麦、德国、日本、西班牙，制定了相应的风力发电计划风力发电技术日趋受到世界各国的普遍重视。目前全世界风电装机容量达到490万千瓦，而且还在以年均60％的速度增长，反映了当今国际电力发展的一个新动向。世界各国的风力发电状况预计２０２０年

风电将进入每个欧洲家庭在整个欧洲创造300万个工作机会重振衰退的工业和不景气的行业创造几百万欧元的新能源市场使欧洲走上使用完全清洁能源供应系统之路，即安全、可靠和环境可持续发展提供比煤电和核电更廉价的能源我国利用风能的历史3000年前的商代：开始出现帆船唐代：“乘风破浪会有时，直挂云帆济沧海”明代：郑和下西洋明代后：宋应星《天工开物》有：“扬郡以风帆数扇，俟风转车，风息则止”方以智著的《物理小识》有：“用风帆六幅，车水灌田，淮阳海皆为之”中国沿海沿江地区的风帆船和用风力提水灌溉或制盐的做法，一直延续到20世纪50年代

中国的风能资源大气环流的影响海陆和水体的影响地形对风能分布的影响山脉海拔中小地形我国探明风能理论储量为32.26亿KW可发利用为2.53亿KW，近海可利用风能7.5亿KW东南沿海是最大风能资源区，风能密度为200W/M2～300W/M2大于6m/s的风速时间，全年3000h以上就可取得较大经济利润效益我国的风力资源160亿元风能发电计划即将启动，拟在全国范围选择20个10万千瓦以上的大型风电场季风气候是我国风力开发的优势冬季季风在华北长达6个月，东北长达7个月东南季风则遍及我国的东半壁全国风力资源的总储量为每年16亿kw近期可开发的约为1．6亿kw内蒙古、青海、黑龙江、甘肃等省风能储量居我国前列，年平均风速大于3m／s的天数在200天以上我国的风力资源利用风电领域大有可为我国现有风电装机约为50万千瓦，如果以年平均40%的速度上升，到2020年，将能期望上升至1亿千瓦，即占2020年电力装机10亿千瓦的10%，占发电站总量的5%。风电技术已相当成熟，风电成本已具有市场竞争能力，在国外风电成本已下降到比火力发电略高一些，并仍在不断下降中。我国将能期望由西南地区的水电、东南沿海地区风电和东北西北地区的风电分别实现各个不同地区发展所需电力。潜在市场及发展趋势西部大开发、提高边远地区农牧民生活水平，需要小风电1985年前生产的小型风力发电机组需要更新换代边远地区、海岛的部队驻军、边防哨所、微波站、气象台站、沿海和内陆湖泊养殖业没有常规电源的地方中国出口小型风电机的数量在逐年增加国家“光明工程”、“全球环境基金／ＧＥＦ世界银行中国可再生能源商业化促进项目”农业部、财政部设立的“农村小型公益设施建设补助资金农村能源项目”

中国风能发展需要制度创新中国风力资源丰富，但风电发展落后原因：缺乏透明、完整、可持续、有效力的风能政策和法律制度国家发改委制定的《可再生能源中长期发展规划》指出：到2020年中国风电装机容量将达到2000万瓦，要实现这一目标需要制度创新对风系的了解情况为了测算可利用的区域性风能资源，在过去的10年间，许多国家都对风进行了深入的研究。其中有的研究成果已经被编成风的图谱集，例如《美国风能资源图谱集》、《欧洲风力图集》（欧共体国家）、《拉丁美洲和加勒比海地区风力图集》（南美和中美）还出版了有关中国、西班牙、秘鲁、埃及、约旦、索马里、非洲萨赫勒地区诸国、埃塞俄比亚及独联体部分国家等的风力地图集。总的来说已基本上有了一套全世界的风力地图。对风能潜力的测量

根据目前已经掌握的区域性可利用的风能资源资料，已经对不同地区的可作为能源的风能潜力进行了研究。在比较这些研究成果时，需要区分出不同形式的潜力。在这里将它们分为以下5种类型对风能潜力的测量气象学潜力实际上这相当于可利用的风能资源。场点潜力这要视气象学潜力而定，但又受到那些可以建立风能发电站的场点的地理位置的限制。技术潜力技术潜力要根据场点潜力来计算，并把可以利用的技术（如效率、涡轮机的大小等）考虑进去。经济潜力经济潜力实际上就是能够实现经济效益的技术潜力。设备潜力对那些在一定的时间内能够实现的风力涡轮机能力进行估计时，不利的和有利的因素都要考虑到。不同国家的风能利用潜力和目标一些国家为了大规模的开发和利用风能资源，已开展了风能资源调查，并确定了风能利用的近期目标。下表给出了有关风能潜力和目标，多数的研究中没有给出明确的“潜力”定义，因此表中所给出的数字，是不同形式的风能潜力分析的综合。不同国家的风能利用潜力和目标不同国家的风能利用潜力和目标世界风能资源评估注：根据地面风力情况将全球分为8个区域（中国不算做一个独立区域）。

不同国家的风能利用潜力和目标

根据世界范围的风能资源图，地球陆地表面（107×106km2）的27%的年平均风速高于5m/s（距离地面10m处）。地面平均风速高于5.1m/s的陆地面积总共约为3×107

km2。

如果将这个面积用作风田，则每平方公里的发电能力为8MW，总