第一章 风与风能概述

第一章 风与风能概述

第一章 风与风能概述,

,,　　第一章 风能资源概述 第二章 风资源测量与评价概述 第三章 测风系统选址 第四章 测风参数 第五章 测站设备 第六章 测站的安装 第七章 观察站的运行和维护 第八章 数据的采集和处理 第九章 数据验证和报告 第十章 风资源测评认证程序

　　,,总课时32学时、讲课28学时、实验4学时 主要参考书： 《中国风资源测量和评估务实》化学工业出版社 《风资源测量和评估手册》AWS公司97年编写 《风能与风力发电技术》第二版 化学工业出版社 成绩评定方法：期末考试占60%，作业和出勤占 40%

　　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直接原因。

　　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。

　　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。

　　（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

　　白天，风由海洋吹向大陆；夜晚，风由大陆吹向海洋。 冬季，风由大陆吹向海洋；夏季，风由海洋吹向大陆。

　　（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。

　　风速是不稳定的随机变量，目前国际上对风力状况进行分析并 作为计算风能资源的基本依据是每小时的平均风速值。 每小时平均风速值测试方法：

　　2、将每小时最后10分钟内测量的风速取平均值作为每小时的 平均风速值； 3、将每小时内几个瞬间测量的风速值取平均值

　　风向：国际上通用的十六方位风向的表示方法。 风向玫瑰图：某地区某一期间各种风向出现的频率，通过放

　　径向矢量的长度代表沿该方向的风吹过的时间的百分数， 数字则表示该方向的平均风速值。

　　1、大气边界层 大气边界层：受到地球表面摩擦力影响的大气层 大气边界层中，空气运动是一种随即的湍流流动。 大气边界层主要特征表现： ? 由于地球表面的摩擦阻力的影响，风 速随高度变化 ? 由于大气温度随高度变化所产生的温 差引起空气上下对流流动 ? 由于地球自转引起的科氏力的作用， 随高度的增加，风向随高度变化 ? 由于湍流运动引起动量的垂直变化， 大气湍流特性随高度变化

　　底层和下部摩擦层总称为地面边界层，其高度定义为大气边界层的固定 百分比（10%）。

　　风切变与地面粗糙度和地面形貌有关，另外还取决于温度切变。 温度切变层分三类： 第一类为不稳定层：地面空气温 度高于上层空气温度；湍流强度 大，风切变现象明显。 第二类为稳定层：地表温度要比 上层空气温度低；湍流强度减弱， 风切变现象减弱。 第三类为中性层：地面空气温度 基本与上层空气温度相等。风切 变只受地面摩擦力影响。

　　定义：风的湍流是风速、风向和垂直分量的快速扰动和不规 则变化。 大气湍流主要至因：剪切力和热对流。 高的湍流将引起风电机组输出功率降低以及部件严重超载。 定义公式公式： 平均风速：

　　按风速相差1米/秒的间隔观测一定时期（一年、一月或 一天）内不同风速出现的时数占此一定时期内吹风总时数 的百分比称为风速的频率分布。风速的频率分布一般以图 形表示。

　　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。 流动空气所具有的动能：

　　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

　　8 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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。 ⅣJ43d—南岭山地以南冬秋弱压型。 ⅣJ14d—云贵南部春冬弱压型。 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。