第一节 风的成因
风是环绕地球大气层中的空气流动．流动的空气所具有的能量，也就是风所具有的动能，就称为风能．从广义太阳能的观点看，风能是由太阳能转化而来的．来自太阳能的辐射能不断地传送到地球表面周围，因受太阳照射而受热的情况不同，地球表面各处产生了温差，因而产生气压差，由此形成了空气的流动．因此，可以说是太阳把能量以热能的形式传到地球而后又转换成风能的．
第二节 风的风类大气环流――地球表面的大气环流是由于太阳辐射及地球自转而引起的．在赤道上，太阳垂直照射，地面受热很强：而在地球两极地区，太阳是倾斜照射的，地面受热则较弱，热空气较冷空气轻风速分布频率图，就造成在赤道附近热空气向空间上升，并通过大气层上部流向两极；两极地区的冷空气则流向赤道．由于地球本身自西向东旋转的结果，这种大气环流在北半球产生了东北风，在南半球则产生了东南风，分别称为东北信风和东南信风.
海陆风――沿海地球陆地同海上所形成的风向交替的海风与陆风风速分布频率图，它们是由于昼夜之间温度变化而造成的．在白日，陆地上接受的太阳辐射热量较海水要强，因而陆地上的空气受热向上流动，而海洋面上的空气较冷，较冷的空气则自海洋流向沿岸陆地，这样就形成了海风；在夜间，陆地上的空气比海洋上的空气冷却要快，这样就造成海洋上的空气上升，而陆地上较冷的空气沿地面流向海洋，形成了陆风.
山谷风――山岳地区在一昼夜间风向交替的山风（或称山岳风）与谷风（或称平原风）．谷风的产生是由于日间太阳照射使山坡上的空气温度升高，热空气上升，而地势地处的冷空气则自山谷向上流动，这就形成了谷风；到了夜晚，空气中的热量向高空散发，高空中的空气密度增大，空气则沿山坡向下流动，这就形成了山风．
第三节 风的描述如上所述，风是由于空气的流动而形成的，因此可被看做是向量，包括空气流动的速度及流动的方向两个要素，也即是风速和风向．对于人类来说，风是最熟悉的自然现象之一，风速与风向在不同的时间（每日 每月 每年）都有一定的周期性变化．为了估算某一地域的风能资源，必须测量出每日、每月、每年的风速及风向数据，了解其变化的情况。
图1 全球陆上年平均风速分布图
图2 中国风资源分布
表1 全球风能资源分布
||||
表2 中国风能资源较丰富省区（10m）
||||
一、 风速空气在单位时间内所流过的距离称为风速，通常以m／m作为计量单位。风速是不稳定的随机量，，甚至在很短的时间内也有很大的变化。目前国际上对于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．每小时平均风速值可以通过以下方式测算得出：
（1）将每小时内测的瞬时风速取平均值；
（2）将每小时最后十min内测定的风速取平均值作为每小时的平均风速值（世界气象组织规定采用此法）；
（3）将每小时内几个瞬间量测的风速值取平均值。
我国气象台站给出的每小时平均风速值是按第二钟方式测定的，采用上述后两种方式测量风速时，最大风速度是不可能得到的。
以每小时平均风速值为基础可以计算得出每日、每月、每年的平均风速值，既：
（1）日平均风速值：一个月中各日风速值的平均值；
（2）年平均风速值：一年中各月风速值的平均值。
二、风向地球上某一地域的风向由于其所处地理位置及受地球表面不同情况的影响，是经常变动的。
国际上通用的十六位风向的表示方法是在东单西北四个方向各插入一个方向，组成八个方位，及组成十六个方位，按照在此十六个方位风向出现的频率组成的描述风向变化的图形，称为风向玫瑰图
在风玫瑰图中，径向矢量的长度代表该方向的风吹过的时间百分数。数字则表示该方向的平均风速值。风玫瑰图既可画成每小时的，也可画成每日 每月 每年的。分析一天或一年的风玫瑰图就可了解一天或一年的风向变化情况。
三、 风沿高度的变化从地球表面到100m高空内，空气流动受到涡流，粘性和地面摩擦等因素的影响，靠近地面的风速较小。离地面越高则风速较大。风能的大小与风速的立方成正比，在高空捕获的风能远比地面要大，了解风速沿高度变化的情况，对于选择和确定风力装置离地面的高度非常重要。
四、风能密度垂直穿过单位截面的空气所具有的动能称为风能密度。分为平均风能密度：一定周期内风能密度的平均值称为平均风能密度。
有效风能密度：对应与此一定风速范围内的风能密度称为有效风能密度。我国有效风能密度对应的风速范围为3~20m/s。一般情况下，计算风能密度采用标准大气压下的空气密度。
五、风速的频率风布按风速相差1m/s的间隔观测一定时期内不同风速出现的时数占此一定时期的吹风总时数的百分比称为风速的频率分布。根据风频风布，我们可较好的了解某地的风况。
表6-3 风力等级表
||||
第四节 风能利用气流和任何运动着的物体一样具有动能，流动着的空气所具有的动能称为风能。风能属于可再生能源，它和存在于自然界中的燃料能源，如煤、石油、天然气等不同，不会随着它本身的转化（转化为其他形式的能量）和人类的利用而日趋减少，因此可以说是一种取之不尽，用之不竭的能源。由于煤、石油、天然气等矿物燃料资源的储量随着人们的利用正在日趋减少，同时也由于这些矿物燃料在利用时所带来的环境污染问题，风能利用在70年代又重新受到世界各国的重视和开发推广。
风能除了具有可再生性及无污染的特点外，风能还属于过程性能源，因而具有随机性。利用风能必须考虑蓄能或与其他能源相互配合，才能获得稳定的能源供应，因为风能是不能直接蓄存起来的，风能只有转换成其他形式的可以蓄存的能量后才能蓄存起来，当然这就增加了技术上的复杂性。
风能的能量密度低是风能的另一弱点，空气的密度仅约为水的1/800，因此风能装置的体积大，耗用材料多，这也是风能利用受到制约的因素之一。
根据不同的需要，风能可以被转换成其他不同形式的能量，如机械能、电能、热能等而加以利用。80年代以来风能利用的主要趋向是风力发电、风力泵水、风力致热及风帆助航等。
第五节 风能资源及区划说明一、风能资源划分我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源比较丰富。据国家气象局估算，全国风能密度为100W/㎡，特别是东南沿海及附近岛屿、内蒙古和甘肃走廊、东北、西北、华北和青藏高原等部分地区，每年风速在3m/s以上的时间近4,000h左右，一些地区年平均风速可达6～7m/s以上，具有很大的开发利用价值。中国气象学界根据全国有效风能密度、有效风力出现时间百分率，以及大于等于3m/s和6m/s风速的全年累积小时数，将我国风能资源划分为如下几个区域。
1.最大风能资源区
东南沿海及其岛屿，为我国最大风能资源区。
这一地区，有效风能密度大于、等于200W/㎡的等值线平行于海岸线，沿海岛屿的风能密度在300W/㎡以上，有效风力出现时间百分率达80～90％，大于等于8m/s的风速全年出现时间约7,000～8,000h，大于等于6m/s的风速也有4,000h左右。但从这一地区向内陆，则丘陵连绵，冬半年强大冷空气南下，很难长驱直下，夏半年台风在离海岸50km时风速便减少到68％。所以，东南沿海仅在由海岸向内陆几十公里的地方有较大的风能，再向内陆则风能锐减。在不到100km的地带，风能密度降至50W/㎡以下，反为全国风能最小区。但在福建的台山、平潭和浙江的南麂、大陈、嵊泗等沿海岛屿上，风能却都很大。其中台山风能密度为534.4W/㎡，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7,905h。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。
2．次大风能资源区
内蒙古和甘肃北部，为我国次大风能资源区
这一地区，终年在西风带控制之下，而且又是冷空气入侵首当其冲的地方，风能密度为200～300W/㎡，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5,000h以上，大于等于6m/s的风速在2,000h以上，从北向南逐渐减少，但不象东南沿海梯度那么大。风能资源最大的虎勒盖地区，大于等于3m/s和大于等于6m/s的风速的累积时数，分别可达7,659h和4,095h。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。
3．风能较大区
黑龙江和吉林东部以及辽东半岛沿海，风能也较大。风能密度在200W/㎡以上，大于等于3m/s和6m/s的风速全年累积时数分别为5,000～7,000h和3,000h。
青藏高原、三北地区的北部和沿海，为风能较大区。这个地区（除去上述范围），风能密度在150～200W/㎡之间，大于等于3m/s的风速全年累积为4,000～5,000h，大于等于6m/s风速全年累积为3,000h以上。青藏高原大于等于3m/s的风速全年累积可达6,500h，但由于青藏高原海拔高，空气密度较小，所以风能密度相对较小，在4,000m的高度，空气密度大致为地面的67％。也就是说同样是8m/s的风速，在平地为313．6W/㎡，而在4,000m的高度却只有209.3W/㎡。所以，如果仅按大于等于3m/s和大于等于6m/s的风违的出现小时数计算，青藏高原应属于最大区，而实际上这里的风能却远较东南沿海岛屿为小。
从三北北部到沿海，几乎连成一片，包围着我国大陆。大陆上的风能可利用区，也基本上同这一地区的界限相一致。
4． 最小风能区
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，为我国最小风能区。有效风能密度在50W/㎡以下，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2,000h以下，大于等于6m/s的风速在150h以下。在这一地区中，尤以四川盆地和西双版纳地区风能最小，这里全年静风频率在60％以上，如绵阳为67％，巴中为60％，阿坝为67％，恩施为75％，德格为63％，耿马孟定为72％，景洪为79％。大于等于3m/s的风速全年累积仅300h，大于等于6m/s的风速仅20h。所以这一地区除高山顶和峡谷等特殊地形外，风能潜力很低，无利用价值。
6． 风能季节利用区
有的在冬、春季可以利用，有的在夏、秋季可以利用。这一地区，风能密度在50～100W/㎡之间，可利用风力为30～40％，大于等于3m/s的风速全年累积在2,000～4,000h，大于等于6m/s的风速在1,000h左右。
二、风能区划方案国家气象局关于我国风能区划的划分方案。采用三级区划指标体系。
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。将年平均有效风能密度大于200W/㎡、3～20m/s风速的年累积小时数大于5,000h的划为风能丰富区，用“Ⅰ”表示；将150～200W/㎡、3～20m/s风速的年累积小时数在3,000～5,000h的划为风能较丰富区，用“Ⅱ”表示；将50～150W/㎡、3～20m/s风速的年累积小时数在2,000～3,000h的划为风能可利用区，用“Ⅲ”表示；将50W/㎡以下、3～20m/s风速的年累积小时数在2,000h以下的划为风能贫乏区，用“Ⅳ”表示。在代表这四个区的罗马数字后面的英文字母，表示各个地理区域。
表6-4 第一级区划分类说明
||||
发表评论