风与风能概念学习

第一章风与风能1.1风一、风的形成太阳辐射造成地球表面受热不均，引起大气层中压力分布不均，在不均压力作用下，空气沿水平方向运动就形成风。风是一个矢量，既有大小又有方向。描述风况的两个参数：风向、风速地球表面风的形成和风向山谷风海陆风季风:随季节转换的风谷风：由于热力原因引起的白天由谷地吹向平原或山坡山风：夜间由平原或山坡吹向谷地陆风：晚上陆风吹向海上海风：在沿海地区，白天由于陆地与海洋的温度差而形成海风吹向陆地二、风的特性(一)风随时间的变化风的日变化地面上是夜间风弱，白天风强；高空中却是夜里风强，白天风弱。在沿海地区，白天产生海风，夜晚产生陆风。风的季节变化由于在不同的季节，太阳和地球的相对位置不同，使地球上存在季节性温度变化，因此，风也会产生季节性变化规律。季节性变化

(二)风的随机性变化日变化典型的不同地点的风速日变化曲线紊流紊流主要是由于气流与地面的摩擦而产生的。8min内风速风向随时间的瞬时变化过程对于紊流脉动变化，常用标准差与某一测试时间内的平均值的关系来计算。紊流特性是在平均风速的上下10%～20%内变化。在一平均时间内，最大风速的估算用下面的理论公式表示：风速的标准偏差近似表示为：Z——离地面某一高度的粗糙度长度；Z0——地面粗糙度长度。10min平均风速值的最大、最小和标准差风向变化的近似公式：风向稳定性与风向频次的关系风向的变化风向:风吹来的方向气象上习惯将风向分为16个方位，即以正北为零，顺时针每转过22.5°为一个方位。在一年或一个月的周期中，出现相同风向的小时数占这段时间总小时数的百分比称为风向频率。以极座标形式表示的风向频率图叫风向玫瑰图。1.2风的测量风速:单位时间内空气流动所经过的距离Vw（h）——距地面高度为h处的风速，m/s

Vwi——高度为hi处的风速，m/sn——经验指数，取决于大气稳定度和地面粗糙度，其值约为1/2～1/8。风速单位表示方法：m/s、mile/h、km/h、ft/s

风速随高度的变化大气层的构成：风随高度的变化：地面情况粗糙度光滑地面、海洋

0.10低草

0.14城市平地、高草或岩石表面

0.16高的农作物、篱笆

0.20树木多、建筑物少

0.22~0.24城市有高层建筑

0.40地面粗糙度各种地面上风速和高度的关系1.3风的统计理论一、风能密度风能密度：是气流在单位时间内垂直通过单位面积的风能

W＝0.5ρV3瓦/米2

平均风能密度：W＝1/T∫0.5ρV3dt有效风能密度：W＝∫0.5ρV3P(v)dvP(v)――有效风速范围内的条件概率分布密度函数年风能可利用时间：指一年之中可以运行在有效的风速范围内的时间t＝N{exp[-(V1/c)k]－exp[-(V2/c)k]}

N为全年的小时数，V1为启动风速，V2为停机风速，C、K为威布尔分布的两个参数。二、风向频率将一段时间内风向观测的次数按方位分类统计，然后以每一方位的观测次数，除以该段时间内观测的总次数，再乘以100即得到各种风向的风向频率。福建省东山站（1955~1980年）历年平均风向频率风向NNNENEENEEESESESSE平均风向频率21126225123风向SSSWSWWSWWWNWNWNNW平均风向频率57531111三、风速频率风速的重复性，指一个月或一年的周期中发生相同风速的时数，占这段时间刮风总时数的百分比。将风速频率乘以全年小时数，即得到一年中某一风速的小时数。风频、风能特性起动风速：风力机在此风速下能够开始转动切出风速：也称上限风速，大于这个风速时，风力机必须停转，退出运行，否则有危险。风况曲线威布尔分布函数：描述风速分布情况。风速累积分布函数和概率密度函数1.4风能资源一、21世纪的最主要能源

核能核能是可裂变原子核在减速中子轰击下产生链式反应释放出来的能量。1kg铀＝2000t汽油＝2800t煤增殖反应堆：每消耗一定数量的可裂变原子核，会产生更多的可裂变原子核，此过程称为增殖，这种反应堆称为增殖反应堆。

地热能地热能是来自地球深处的可再生热能。地壳层的温度约为500℃，地核中心温度可达5000℃，10km以内的地壳表层的热量就有125×10J，相当全世界储煤发热量的2000倍。如果人类能源全部用地下热能，则4100万年后地球温度也只降低1℃。地热能虽不是一种“可再生的”资源，但其储量极其巨大，是人类可长期依靠的能源方式。特点：品位低、分散，大规模开发应用困难。

太阳能太阳能的利用有两种:①利用光-热效应，产生热水供热和产生蒸汽发电；②利用光-电效应，用硅电池可以直接由光能转换为电能。

海洋能地球表面海洋面积约占71%。海洋能包括潮汐能、海流能、波浪能和温差能。海洋能是太阳能、太阳和月亮引力能产生的。世界潮汐能总量约10亿千瓦特点：储量不大，品位低、分散，供人类应用是有限的。

氢能氢是宇宙中普遍存在的元素，约占宇宙质量的75%，但是在地球上单质氢的含量微乎其微。氢能属于二次能源，只能由其他能源进行转化而得到。高效率制氢的基本途径是利用太阳能。特点：燃烧热值高，燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。只要在汽油中加入4%的氢气，就可使内燃机节油40%。目前，氢能技术在美国、日本、欧盟等国家和地区已进入系统实施阶段。美国政府已明确提出氢计划，宣布今后4年政府将拨款17亿美元支持氢能开发。美国计划到2040年美国每天将减少使用1100万桶石油，这个数字正是现在美国每天的石油进口量。

可燃冰一种天然气水合物，是水和天然气在中高压和低温条件下混合时产生的晶体状物质。可燃冰在自然界分布非常广泛，海底以下0~1500m深的大陆架或北极等地的永久冻土带都有可能存在。资料显示，海底的天然气水合物可满足人类1000年的能源需要。

风能风能是一种无污染的、最具活力的可再生能源，它取之不尽，用之不竭，分布广泛。世界风能总量为2Xl013W，大约是世界总能耗的3倍。如果风能的1%被利用，则可以减少世界3%的能源消耗;风能用于发电，可产生世界总电量的8%~9%。二、地球上风能资源分布风力为3~7级地区占本国陆地面积比例风能利用是否经济取决于风力机轮毂中心高处最小年平均风速。风能最好的地方是大西洋西海岸，特别是英国和爱尔兰地区。德国地区的较好风资源地区在北海岸，其次是中高山区的山上。

三、我国风能资源分布

最大风能资源区东南沿海及其岛屿。这一地区，有效风能密度大于等于200W/m2的等值线平行于海岸线，沿海岛屿的风能密度在300W/m2以上，有效风力出现时间百分率达80%~90%，大于等于3m/s的风速全年出现时间约7000~8000h，大于等于6m/s的风速也有4000h左右。在福建的台山、平潭和浙江的南鹿、大陈、峡泅等沿海岛屿上，风能却都很大。其中，台山风能密度为534.4W/m2，有效风力出现时间百分率为90%，大于等于3m/S的风速全年累积出现7905h。换言之，平均每天大于等于3m/s的风速有21.3h，是我国平地上有记录的风能资源最大的地方之一。

次最大风能资源区内蒙古和甘肃北部。这一地区终年在西风带控制之下，而且又是冷空气人侵首当其冲的地方，风能密度为200-300W/m2，有效风力出现时间百分率为70%左右，大于等于3m/s的风速全年有5000h以上，大于等于6m/s的风速有2000h以上，这一地区的风能密度虽较东南沿海为小，但其分布范围较广，是我国连成一片的最大风能资源区。大风能资源区

较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，大于等于3m/s和6m/s的风速全年累积时数分别为5000~7000h和3000h。青藏高原、三北地区的北部和沿海。这个地区(除去上述范围)风能密度在150~200W/m2之间，大于等于3m/s的风速全年累积为4000~5000h，大于等于6m/s风速全年累积为3000h以上。

最小风能资源区

可季节利用的风能资源区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50W/m2以下时，可利用的风力仅有20%左右，大于等于3m/s的风速全年累积时数在2000h以下，大于等于6m/s的风速在150h以下。这些地区风能密度在50~100W/m2，可利用风力为30%~40%，大于等于3m/s的风速全年累积在2000~4000h，大于等于6m/s压的风速在1000h左右。1.5国内风电场介绍我国风能资源储量居世界前列，可开发利用的风能总量为2.53亿千瓦，仅次于俄罗斯和美国，居世界第三。中国风能储量/万千瓦省份可开发量省份可开发量省份可开发量内蒙6180河北610广东200新疆3430辽宁610浙江160黑龙江1720山东390福建140甘肃1140江西290海南64吉林640江苏24020世纪90年代是我国风能利用的发展阶段，其中的主要设备采用的是进口设施并由国外政府软贷款协助完成。已运行的最大风力机是1.3MW，由Nordex公司生产，其4台，装在辽宁营口仙人岛风力发电场。目前我国已有各种用途的微型风力机(1kW以下)、小型风力机(1~10kW)、中型风力机(10~150kW)共15万多台。近10年，我国风电装机以年均55%的速度增长。到2005年底，全国已建风电场59座，累计运行风力发电机组1869台，总容量达1246.3。序号制造商总容量/kW占总装机的比例/%1NEGM16289034.772Nordex7125015.213Vestas6892014.704新疆金风246005.255MADE184803.956Nedwind175003.747Zond165003.528西安维德174003.71目前我国运行机组中各供货商比例二、国内部分省份主要风电场介绍1、内蒙古可开发的风能储量为1.01亿千瓦，占全国风能储量的40%，居全国之首。内蒙古风能分布范围广、面积大、稳定性高、连续性好、无破坏性风速等优良品位。10m调试年平均风速在6m/s以上，年可利用4400~7800h，开发条件十分优越。2004年，内蒙古电力公司与北京国际电力开发投资公司签署了《合作开发辉腾锡勒12万千瓦风力发电机项目协议书》。该项目投资总额为9亿元，将在2008年奥运会之前分两期兴建总装机容量为12万千瓦的风力发电场(7500元/kW)。2、广东省沿海风能资源非常丰富，风能质量好(风能密度高、时间长)。有效风能密度在200~300W/m2以上(风速7~8m/s)，有的地区达