第二章风与风能

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。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低纬度环流

低纬度环流(哈得来环流，正环流圈）：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。极地环流

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。中纬度环流

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。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（科里奥利力）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。风形成的原因能量来源：太阳辐射能动力源：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。季风与纬度和季节的关系与海陆影响的程度，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。

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。

海陆风海陆风日间海风夜间陆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每日变化的风系。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白天从山谷吹向山峰的风叫谷风山谷风降温快（冷源）降温快（冷源）降温慢（热源）山风山风的形成夜间自山坡吹向山谷的风叫山风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，最后行成台风。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。风力等级《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级拔树又倒屋，11.12陆上很少见

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。

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出风速。（4）国内通常取3m/s为起动风速，20m/s为切除风速，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。风的测定测风系统自动测风系统主要有6部分组成，包括传感器、主机、数据存储装置、电源、安全与保护装置。2.风速测量风速计：旋转式风速计、压力式风速计、散热式风速计。风速记录：机械式、电接式、电机式、光电式。风速表示：各国表示速度的单位的方法不尽相同。3.风向测量风向标是测量风速的最通用装置，有单翼型、双翼型和流线型等。风能的数学描述一、风特性1.平均风速和风向2.脉动风速3.平均风速和风向的表示4.平均风速随高度的变化二、风能公式风特性平均风速和风向1）平均风速2）平均风向在陆地上观测风向用16个方位（海上用32个方位）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。脉动风速风玫瑰图风玫瑰图——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（能量密度玫瑰图）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。风的特性特性：周期性、随机性、多样性、复杂性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windprofile：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。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，风频分布可用威布尔（Weibull)分布、瑞利（Rayleigh)分布、对数正态分布三种数学模型表示。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。三、风能及其描述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：风在单位时间垂直截面A所做的功

风能密度：风在单位时间垂直通过单位面积所做的功N·m/sW/m25m/s——75W/m2；10——600W/m2，15——2025W/m2，20——4800W/m24风能资源的特征优点：(1)储量巨大，可再生(2)不污染环境，不影响生态平衡。(3)将风能转换成机械能比较简单，容易实现。缺点(1)不稳定风能常随季节、昼夜变化而变化，当风小或无风时还想利用它，则涉及到能量储存问题，需要储能设备。(2)密度低这是风能的一个重要缺陷。(3)地区差异大风能受地形地貌的影响较大，即使在同一个区域，有利地形处的风往往是不利地形处的几倍乃至更多

能源类别风能3m/s水能流速3m/s波浪能波高2m潮汐能潮差10m太阳能晴天平均昼夜平均能流密度kW/m20.0220301001.00.16影响风能利用的主要因素①垂直高度；②地形地貌；③地理位置；④障碍物。区划指标体系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）：年平均有效风能密度大于200W／m2、3～20m／s风速的年累积小时数大于5000h；风能较丰富区（“Ⅱ”区）：年平均有效风能密度150～200W／m2

、3～20m／s风速的年累积小时数在4000～5000h；风能可利用区（“Ⅲ”区）：年平均有效风能密度50～150W／m2

、3～20m／s风速的年累积小时数在2000～4000h；风能贫乏区（“

Ⅳ”区）：年平均有效风能密度50W／m2以下、3～20m／s风速的年累积小时数在2000h以下。四、我国风能资源特点及区域划分我国风能资源区划风能丰富区东南沿海、山东半岛、辽东半岛内蒙古、甘肃北部地区松花江下游区风能较丰富区东南沿海内陆和渤海沿海区三北的北部区青藏高原风能可利用区两广沿海区大小兴安岭地区中部地区风能贫乏区川云贵和南岭山地区雅鲁藏布江和昌都区塔里木盆地西部区风能资源丰富的地区主要分布在西北、华北和东北的草原和戈壁，以及东部和东南沿海及岛屿西部地区的风能资源占全国风能资源的50%以上（P11材料）甘肃省实际可开发的风能储量为1143万kW青海省为2421万kW新疆维吾尔自治区为3433万kW内蒙古自治区为6178万kW。云南省和西藏自治区也有很多地区可以利用风能。我国探明风能理论储量为32.26亿KW（P10)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”我国风能资源特点1、风能资源季节分布与水能资源互补：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。

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五、风系及风能潜力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