第一章風與風能

第一章風與風能一、風風是地球上的一種自然現(xiàn)象，它是由太陽輻射熱引起的。太陽照射到地球表面，地球表面各處受熱不同，產(chǎn)生溫差，從而引起大氣的對流運動形成風。據(jù)估計到達地球的太陽能中雖然只有大約2％轉(zhuǎn)化為風能，但其總量仍是十分可觀的。全球的風能約為2.74×109MW，其中可利用的風能為2×107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。我國位于亞洲大陸東南、瀕臨太平洋西岸，季風強盛。全國風力資源的總儲量為每年16億kW，近期可開發(fā)的約為1.6億kW，內(nèi)蒙古、青海、黑龍江、甘肅等省風能儲量居我國前列。風的全球分布大氣環(huán)流：一般是指具有世界規(guī)模的、大范圍的大氣運行現(xiàn)象，既包括平均狀態(tài)，也包括瞬時現(xiàn)象，其水平尺度在數(shù)千公里以上，垂直尺度在10km以上，時間尺度在數(shù)天以上。大氣環(huán)流既是地－氣系統(tǒng)進行熱量、水分、角動量等物理量交換以及能量交換的重要機制，也是這些物理量的輸送、平衡和轉(zhuǎn)換的重要結(jié)果。太陽輻射在地球表面的非均勻分布是大氣環(huán)流的原動力。赤道與南北緯30度之間的大氣環(huán)流系統(tǒng)北緯30度至60度之間的大氣環(huán)流系統(tǒng)北緯60度至北極之間的大氣環(huán)流系統(tǒng)全球大氣環(huán)流示意大氣環(huán)流-形成原因1.太陽輻射，是地球上大氣運動的能量來源，由于地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，地球表面接受太陽輻射能量是不均勻的。熱帶地區(qū)多，而極區(qū)少，從而形成大氣的熱力環(huán)流。2.地球自轉(zhuǎn)，在地球表面運動的大氣都會受地轉(zhuǎn)偏向力作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。3.地球表面海陸分布不均勻。4.大氣內(nèi)部南北之間熱量、動量的相互交換。以上種種因素構(gòu)成了地球大氣環(huán)流的平均狀態(tài)和復(fù)雜多變的形態(tài)。低緯度環(huán)流

低緯度環(huán)流：是一個封閉的環(huán)流，由溫暖潮濕空氣從赤道低壓地區(qū)上升開始，升至對流層頂，向極地方向邁進。直到南北緯30度左右，這些空氣在高壓地區(qū)下沉。部分空氣返回地面后于地面向赤道返回，形成信風，完成低緯度環(huán)流。低緯度環(huán)流基本活動在熱帶地區(qū)，是在太陽直射點引導(dǎo)下，以半年周期往返南北。

極地環(huán)流

極地環(huán)流：南北緯地區(qū)仍然有足夠熱力和水分進行對流，當氣流流往極地，它的溫度已經(jīng)大大降低，在這高壓干燥寒冷的地區(qū)下沉，受地轉(zhuǎn)偏向力影響向西偏轉(zhuǎn)，形成極地東風。極地環(huán)流同樣是一個簡單的系統(tǒng)，雖然相比赤道的空氣，這里的空氣比較寒冷干燥，但仍然有足夠熱力和水分進行對流，完成熱循環(huán)。本環(huán)流的活動范圍限于對流層內(nèi)，最高也只到對流層頂（8公里）。往極地的氣流主要集中在空中，而赤道方向的氣流主要集中在地面。中緯度環(huán)流

中緯度環(huán)流是一個次要的環(huán)流，依靠其余兩個環(huán)流而出現(xiàn)。在南面處于低緯度環(huán)流之上，在北面又漂浮在極地環(huán)流上。信風可以在低緯度環(huán)流以下找到，相同地西風帶也可以在中緯度環(huán)流下找到。與低緯度環(huán)流和極地環(huán)流不同，中緯度環(huán)流并不是真正閉合的循環(huán)，不像信風和極地東風那樣，有所屬的環(huán)流捍衛(wèi)著它們在該區(qū)的主導(dǎo)地位。盛行西風常常聽命于經(jīng)過的氣象系統(tǒng)。在上空通常由西風主導(dǎo)，但是在地表風向可以隨時突然改變。

風的形成原因太陽的輻射造成地球表面受熱不均，引起大氣層中壓力分布不均，形成氣壓梯度，在氣壓梯度力作用下，空氣垂直于等壓線從高壓區(qū)向低壓區(qū)流動，空氣這樣沿水平方向運動，形成風。（例如赤道和高低維度區(qū)域）風形成的原因能量來源：地球上某處所接受的太陽輻射能正是與該地點太陽照射角的正弦成正比。動力源：太陽能正是形成大氣壓差的原因。介質(zhì)：從全球尺度來看，大氣中的氣流是巨大的能量傳輸介質(zhì)，地球的自轉(zhuǎn)以進一步促進了大氣中半永久性的行星尺度環(huán)流的形成。風的形成1)當太陽光照射到地球表面時，地球被加熱，而陸地和海洋的吸收熱量的速度是不同的，陸地吸收熱的速度比海洋快的多。2)陸地上方的空氣加熱速度要比海洋上更快，陸地上的熱空氣上升到一定高度后冷卻。3)這些冷空氣逐漸向海洋上方移動，在這里下沉并被向陸地方向擠壓，空氣向陸地的流動就是我們所說的風。

風的類型風受到大氣環(huán)流、地形、水域的影響，表現(xiàn)形式多種多樣，如季風、地方性海陸風、山谷風、臺風等。季風定義：在大陸和海洋之間大范圍盛行的、風向隨季節(jié)變化顯著的風系，和風帶一樣同屬于行星尺度的大氣環(huán)流系統(tǒng)。形成季風最根本的原因：海陸熱力性質(zhì)的差異導(dǎo)致海陸氣壓中心的季節(jié)變化，是形成季風環(huán)流的主要原因。它可分為冬季風、夏季風。季風冬季盛行東北風，夏季盛行西南風季風對季風的認識：

（1）季風是大范圍地區(qū)的盛行風向隨季節(jié)改變的現(xiàn)象，這里強調(diào)“大范圍”是因為小范圍風向受地形影響很大；

（2）隨著風向變換，控制氣團的性質(zhì)也產(chǎn)生轉(zhuǎn)變，例如，冬季風來時感到空氣寒冷干燥，夏季風來時空氣溫暖潮濕；

（3）隨著盛行風向的變換，將帶來明顯的天氣氣候變化。與緯度和季節(jié)的關(guān)系海陸影響的程度，與緯度和季節(jié)都有關(guān)系。冬季中、高緯度海陸影響大，陸地的冷高壓中心位置在較高的緯度上，海洋上為低壓。夏季低緯度海陸影響大，陸地上的熱低壓中心位置偏南，海洋上的副熱帶高壓的位置向北移動。行星風帶的季節(jié)移動，也可以使季風加強或削弱，但不是基本因素。

海陸風白晝海陸風夜間陸海風海陸風是因海洋和陸地受熱不均而在海岸附近形成的一種有日變化的風系。在基本氣流微弱時，白天風從海洋吹響陸地（海風），夜晚風從陸地吹響海洋（陸風）。增溫快

（熱源）增溫快

（熱源）增溫慢

（冷源）谷風山谷風谷風的形成山谷風降溫快（冷源）降溫快（冷源）降溫慢（熱源）山風山風的形成臺風臺風定義是發(fā)生在熱帶海洋上強烈的氣旋，一邊繞自己的中心急速旋轉(zhuǎn)，一邊隨周圍大氣向前移動。形成原因：在海洋溫度超過26℃以上的熱帶或副熱帶海洋上，由于近洋面溫度高，大量空氣膨脹上升，使近洋面氣壓降低，外圍空氣源源不斷的補充流入上升，受地轉(zhuǎn)偏向力的影響，流入的空氣旋轉(zhuǎn)起來，而上升的空氣膨脹變冷，其中水汽冷卻凝結(jié)形成水滴時放熱，又促使低層空氣上升，這樣近地面的氣壓下降的更低，空氣旋轉(zhuǎn)的更加激烈，最后相成臺風。臺風形成的條件要有廣闊的高溫、高濕大氣；要有低層大氣向中心輻合、高層向外擴散的初始擾動，而且高層輻散必須超過低層輻合，維持足夠的上升氣流，低層擾動不斷加強；垂直方向的風速相差不能太大，上下層相對運動很小，使初始擾動中水汽凝結(jié)所釋放的潛熱集中保存到臺風眼；要有足夠大的地轉(zhuǎn)偏向力，有利于氣旋型渦旋生成。二、風向與風速風向風速起動風速切除風速有效風速風速級別影響風速的主要因素瑞利分布公式

二、風向與風速風是一種矢量，通常用風向與風速兩個要素表示。風向是指風吹來的方向，如果風是從北方吹來就稱為北風。風速是表示風移動的速度，即單位時間內(nèi)空氣流動所經(jīng)過的距離。顯然風向和風速這兩個參數(shù)都是在變化的。

在一定的時間范圍內(nèi)，某風向出現(xiàn)的次數(shù)占各風向出現(xiàn)的總次數(shù)的百分比，稱作風向頻率。

在陸地上觀測風向用16個方位（海上用32個方位）風速風速風在單位時間內(nèi)所流過的距離稱為風速V，單位m/s。（1）在某一瞬間測得的風速叫瞬時風速。在某一段時間內(nèi)，瞬時風速的算術(shù)平均值，稱作平均風速。（2）在一定時間內(nèi)，相同風速出現(xiàn)的時數(shù)占測量總時數(shù)的百分比，稱作風速頻率；在求得平均風速的限定時間內(nèi)，最大風速與最小風速之差，稱為風速變幅。風速（3）可使風力機起動運行的風速是起動風速；限制風力機超速運行的上限風速稱為切除風速（4）國內(nèi)通常取3m/s為起動風速，20m/s為切除封鎖，故把3~20m/s的風速稱為有效風速。及此算出來的風速頻率和風能分別稱為有效風頻和有效風能。風速級別

風的隨機性變化

風速是不斷變化的，一般所說的風速是指變動部位的平均風速。通常自然風是一種平均風速與瞬間激烈變動的紊流相重合的風。紊亂氣流所產(chǎn)生的瞬時高峰風速也叫陣風風速。脈動風速：某時刻t，空間某點上的瞬時風速與平均風速的差值。風隨時間的變化

風隨時間的變化，包括每日、月的變化和季節(jié)的變化。日變化：一天之中風的強弱在某種程度上可以看作是周期性的。如地面上夜間風弱，白天風強；高空中正相反是夜里風強，白天風弱。臨界高度約為50～150m。平均日風速變化夏季無云時增強，冬季多元時減弱。月變化：有些地區(qū)，在一月內(nèi)，會發(fā)生周期為一天或者幾天的風速變化。主要是熱帶氣旋和熱帶波動所造成。例如中緯度地區(qū)，每10天又一次強風是十分顯著的。季變化：季節(jié)變化，太陽和地球的相對位置也發(fā)生變化，使地球上存在季節(jié)性的溫差。因此風向和風的強度也會發(fā)生季節(jié)性變化。我國大部分地區(qū)風的季節(jié)性變化情況是：春季最強，冬季次之，夏季最弱。當然也有部分地區(qū)例外，如沿海溫州地區(qū)，夏季季風最強，春季季風最弱。影響風速的主要因素①垂直高度；②地形地貌；③地理位置；④障礙物。風速與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，使得垂直混合更為充分，混合作用越強，近地面內(nèi)的風速梯度就減小，因此同一高度，粗糙的表面的風速小。a風速廓線指數(shù)：反應(yīng)風速隨高度增加的快慢，a值大即風速梯度大。海面、海島a值0.12；鄉(xiāng)村、田野a值0.16；城市a值0.2；建筑物多的市區(qū)a值0.3風隨高度的變化

2m約100m約1km底層下部摩擦層上部摩擦層自由大氣地面境界層摩擦層（大氣境界層）風速與高度地面境界層內(nèi)空氣流動受渦流、黏性和地面植物及建筑物等的影響，風向基本不變，但越往高處風速越大。符合指數(shù)分布規(guī)律。地形對風的影響地形會造成風速差異，不同地形的風速和空曠平地的風速比值（如下表）可以推算相似地形下的風速。不同地形下風速與平坦地面風速比值表

地形平

地

平

均

風

速3~5米／秒6~8米／秒比

值山間盆地0.95~0.850.85~0.75彎曲河谷地0.80~0.700.70~0.60山瘠背風坡0.90~0.800.80~0.70山瘠迎風坡1.10~1.201.10多變性——風速與風向總是在不斷的變化，完全是隨時間隨機的變化規(guī)律性——隨晝夜、季節(jié)變化，風速、風向產(chǎn)生變化高度——風速隨高度的增加而變大地形地貌——對風速的影響?yīng)M管作用摩擦作用山谷風效應(yīng)繞流作用風的特點三、風的能量

風能有效風能

風能玫瑰圖

因空氣流做功而提供給人類的一種可利用的能量?？諝饬骶哂械膭幽芊Q風能?？諝饬魉僭礁撸瑒幽茉酱?。1秒鐘通過面積為A的空氣所具有的動能，稱之為風所具有的功率。1秒鐘通過1m2面積的空氣所具有的動能，稱之為風能密度，是評價風能資源的重要參數(shù)。風能的概念

風能密度風能密度與空氣密度有直接關(guān)系一般，海邊地勢地，氣壓高，空氣密度大，風能密度就高。高山氣壓低，空氣稀薄，風能密度就小些。如果高山風速大、氣溫低仍有相當大的風能潛力。風能的計算風能密度的計算公式：風能ω=0.5ρν3A風能密度W=（ρ∑Niνi3）/（2N）式中W——平均風能密度，W/m2νi——等級風速，m/sNi——等級風速νi出現(xiàn)的次數(shù)N——各等級風速出現(xiàn)的總次數(shù)ρ——空氣密度，kg/m3有效風能

有效風能：可利用的風能，對于風能轉(zhuǎn)換裝置而言，切入風速和切出風速之間的風速段，這個范圍內(nèi)的風能即有效風能計算某地一年內(nèi)風能的大小，不能簡單的用年平均風速，還要考慮風速分布的情況。將年有效風能除以年有效風速持續(xù)小時數(shù)，即得到有效風能密度。風玫瑰圖風玫瑰圖——一個給定地點一段時間內(nèi)的風向分布圖。通過它可以得知當?shù)氐闹鲗?dǎo)風向。最常見的風玫瑰圖是一個圓，圓上引出16條放射線，它們代表16個不同的方向，每條直線的長度與這個方向的風的頻度成正比。是反映風能資源的特性。根據(jù)風能玫瑰圖即可以看出哪個方向的風具有能量的優(yōu)勢。風玫瑰圖風能玫瑰圖在極坐標圖上繪出給定地一年內(nèi)各方向風能值的統(tǒng)計圖。風能資源的特點風能資源的優(yōu)點可再生資源，取之不盡，用之不竭；偏遠地區(qū)、海濱、居民分散的無電或少電地區(qū)，風能資源較豐富，值得開發(fā)利用。開發(fā)利用風能，不污染環(huán)境，不影響生態(tài)平衡。把風能轉(zhuǎn)換成機械能，辦法比較簡單，容易實現(xiàn)。風能資源的特點風能資源的缺點風能常隨季節(jié)、晝夜變化，需要儲能設(shè)備；風能密度比較低，要獲得大功率，風力機的風輪需要做的很大。風能受地形地物的影響較大。四、中國風能資源區(qū)劃及分布特點

世界風能利用及發(fā)展狀況我國風能風能利用及發(fā)展狀況風能利用潛力和目標我國風能資源區(qū)域劃分及分布特點地球風能約為2.74×109MW可利用風能為2×107MW，是地球水能的十倍只要利用上地球1%的風能就能滿足全球能源的需要降低成本，提高產(chǎn)出，是普及風能發(fā)電必須克服的障礙世界風能資源

人類開發(fā)利用風能的歷史風帆助航、風力發(fā)電、風車提水風電路燈微型風力發(fā)電機風車世界風能的發(fā)展歷史歐洲利用風能的歷史12世紀風車從中東傳入歐洲。16世紀，荷蘭人利用風車排水、與海爭地，在低洼的海灘上建國立業(yè)。在蒸汽機出現(xiàn)之前，風力機械是動力機械的一大支柱，但因競爭不過蒸汽機、內(nèi)燃機等而被淘汰。19世紀丹麥人首先研制了風力發(fā)電機。1891年，丹麥建成世界第一座風力發(fā)電站。20世紀70年代后，風力發(fā)電蓬勃發(fā)展。21世紀中葉，風能成為世界能源供應(yīng)的支柱之一。美國世界上風力機裝機容量最多的國家，超過2X104MW，每年還以10％的速度增長瑞典、荷蘭、英國、丹麥、德國、日本、西班牙，制定了相應(yīng)的風力發(fā)電計劃風力發(fā)電技術(shù)日趨受到世界各國的普遍重視。目前全世界風電裝機容量達到490萬千瓦，而且還在以年均60％的速度增長，反映了當今國際電力發(fā)展的一個新動向。世界各國的風力發(fā)電狀況預(yù)計２０２０年

風電將進入每個歐洲家庭在整個歐洲創(chuàng)造300萬個工作機會重振衰退的工業(yè)和不景氣的行業(yè)創(chuàng)造幾百萬歐元的新能源市場使歐洲走上使用完全清潔能源供應(yīng)系統(tǒng)之路，即安全、可靠和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供比煤電和核電更廉價的能源我國利用風能的歷史3000年前的商代：開始出現(xiàn)帆船唐代：“乘風破浪會有時，直掛云帆濟滄?！泵鞔亨嵑拖挛餮竺鞔螅核螒?yīng)星《天工開物》有：“揚郡以風帆數(shù)扇，俟風轉(zhuǎn)車，風息則止”方以智著的《物理小識》有：“用風帆六幅，車水灌田，淮陽海皆為之”中國沿海沿江地區(qū)的風帆船和用風力提水灌溉或制鹽的做法，一直延續(xù)到20世紀50年代

中國的風能資源大氣環(huán)流的影響海陸和水體的影響地形對風能分布的影響山脈海拔中小地形我國探明風能理論儲量為32.26億KW可發(fā)利用為2.53億KW，近海可利用風能7.5億KW東南沿海是最大風能資源區(qū)，風能密度為200W/M2～300W/M2大于6m/s的風速時間，全年3000h以上就可取得較大經(jīng)濟利潤效益我國的風力資源160億元風能發(fā)電計劃即將啟動，擬在全國范圍選擇20個10萬千瓦以上的大型風電場季風氣候是我國風力開發(fā)的優(yōu)勢冬季季風在華北長達6個月，東北長達7個月東南季風則遍及我國的東半壁全國風力資源的總儲量為每年16億kw近期可開發(fā)的約為1．6億kw內(nèi)蒙古、青海、黑龍江、甘肅等省風能儲量居我國前列，年平均風速大于3m／s的天數(shù)在200天以上我國的風力資源利用風電領(lǐng)域大有可為我國現(xiàn)有風電裝機約為50萬千瓦，如果以年平均40%的速度上升，到2020年，將能期望上升至1億千瓦，即占2020年電力裝機10億千瓦的10%，占發(fā)電站總量的5%。風電技術(shù)已相當成熟，風電成本已具有市場競爭能力，在國外風電成本已下降到比火力發(fā)電略高一些，并仍在不斷下降中。我國將能期望由西南地區(qū)的水電、東南沿海地區(qū)風電和東北西北地區(qū)的風電分別實現(xiàn)各個不同地區(qū)發(fā)展所需電力。潛在市場及發(fā)展趨勢西部大開發(fā)、提高邊遠地區(qū)農(nóng)牧民生活水平，需要小風電1985年前生產(chǎn)的小型風力發(fā)電機組需要更新?lián)Q代邊遠地區(qū)、海島的部隊駐軍、邊防哨所、微波站、氣象臺站、沿海和內(nèi)陸湖泊養(yǎng)殖業(yè)沒有常規(guī)電源的地方中國出口小型風電機的數(shù)量在逐年增加國家“光明工程”、“全球環(huán)境基金／ＧＥＦ世界銀行中國可再生能源商業(yè)化促進項目”農(nóng)業(yè)部、財政部設(shè)立的“農(nóng)村小型公益設(shè)施建設(shè)補助資金農(nóng)村能源項目”

中國風能發(fā)展需要制度創(chuàng)新中國風力資源豐富，但風電發(fā)展落后原因：缺乏透明、完整、可持續(xù)、有效力的風能政策和法律制度國家發(fā)改委制定的《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》指出：到2020年中國風電裝機容量將達到2000萬瓦，要實現(xiàn)這一目標需要制度創(chuàng)新對風系的了解情況為了測算可利用的區(qū)域性風能資源，在過去的10年間，許多國家都對風進行了深入的研究。其中有的研究成果已經(jīng)被編成風的圖譜集，例如《美國風能資源圖譜集》、《歐洲風力圖集》（歐共體國家）、《拉丁美洲和加勒比海地區(qū)風力圖集》（南美和中美）還出版了有關(guān)中國、西班牙、秘魯、埃及、約旦、索馬里、非洲薩赫勒地區(qū)諸國、埃塞俄比亞及獨聯(lián)體部分國家等的風力地圖集?？偟膩碚f已基本上有了一套全世界的風力地圖。對風能潛力的測量

根據(jù)目前已經(jīng)掌握的區(qū)域性可利用的風能資源資料，已經(jīng)對不同地區(qū)的可作為能源的風能潛力進行了研究。在比較這些研究成果時，需要區(qū)分出不同形式的潛力。在這里將它們分為以下5種類型對風能潛力的測量氣象學潛力實際上這相當于可利用的風能資源。場點潛力這要視氣象學潛力而定，但又受到那些可以建立風能發(fā)電站的場點的地理位置的限制。技術(shù)潛力技術(shù)潛力要根據(jù)場點潛力來計算，并把可以利用的技術(shù)（如效率、渦輪機的大小等）考慮進去。經(jīng)濟潛力經(jīng)濟潛力實際上就是能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟效益的技術(shù)潛力。設(shè)備潛力對那些在一定的時間內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)的風力渦輪機能力進行估計時，不利的和有利的因素都要考慮到。不同國家的風能利用潛力和目標一些國家為了大規(guī)模的開發(fā)和利用風能資源，已開展了風能資源調(diào)查，并確定了風能利用的近期目標。下表給出了有關(guān)風能潛力和目標，多數(shù)的研究中沒有給出明確的“潛力”定義，因此表中所給出的數(shù)字，是不同形式的風能潛力分析的綜合。不同國家的風能利用潛力和目標不同國家的風能利用潛力和目標世界風能資源評估注：根據(jù)地面風力情況將全球分為8個區(qū)域（中國不算做一個獨立區(qū)域）。

不同國家的風能利用潛力和目標

根據(jù)世界范圍的風能資源圖，地球陸地表面（107×106km2）的27%的年平均風速高于5m/s（距離地面10m處）。地面平均風速高于5.1m/s的陸地面積總共約為3×107

km2。

如果將這個面積用作風田，則每平方公里的發(fā)電能力為8MW，總