小型风力发电机动力结构设计
第二章 风能资源
2.1风的重要性
2.1.1什么是风
提到风，谁都会说出很多切身的体会。如微风吹过脸颊时的舒爽，狂风刮过时的树叶纷飞、飞沙走石的情景，如果遇上可怕的龙卷风，那将是拔树毁屋的恐怖景象，凡是见过的人无不“谈风色变”。总之，风有时友好有时又不近人情，来无影去无踪让人捉摸不透。风到底是什么，用科学的说法就是：地球表面的空气水平运动称之为风。太阳辐射对地球表面不均匀件加热是形成风的主要成因。
太阳对地球的辐射，透过厚厚的大气层，到达地球表面，地球表面各处(海洋和陆地；高山岩石和平原土壤；沙漠、荒原和植被、森林地区)吸收热量不同；由于地球自转、公转、季节、气候的变化和昼夜温差的影响，使地表各处散热情况也各不相同，散热多的地区，靠近地表的空气受热膨胀，压力减少，形成低气压区，这时空气从高气压区向低气压区流动，这就产生了风。地形、地貌的差异，
地球自转、公转的影响，更加剧了空气流动的力量和流动方向的多变性，使风速和风向的变化更加复杂。
2.1.2风的特性
风作为一种自然现象，有它本身的特性。通常采用风速、风向、风频等基本指标来表述。 (1)风速：空气在单位时间内运动的距离，用米/秒或千米/时作为计量单位。例如空气在1秒钟内运动了3米，那么风速就是3米/秒。由于风是不断变化的，通常所说的风速是指一段时间内各瞬时风速的算术平均值，即平均风速。风速可由测风仪测量得到。 (2)风速随高度的变化：从地球表面到10000米高空层内，空气的流动受到涡流、黏滞和地面摩擦等因素的影响，风速随着高度的增加而增大。 通过实验，我们常用的计算风速随高度的变化的公式有:
指数公式：v＝v1(h／h1) （2-1） 对数公式：v=v1（lgh/h0）/（lgh1/h0） （2-2） 式中：v1——高度为h1的风速；h0——风速为零的高度；n——值取决于地面的平整度(粗糙度)和大气的稳定度，取值范围为1/8—1/2。在开阔、平坦、稳定度正常的地区，n值取1/7。
(3)风频：分为风速频率和风向频率。
风速频率：各种速度的风出现的频繁程度。对于风力发电的风能利用而言，为了有利于风力发电机平稳运行，便于控制，希望平均风速高、而风速大小变化小。
风向频率：各种风向出现的频繁程度。对于风力发电的风能利用而言，总是希望某一风向的频率尽可能的大。
n
⑤
2.2风能的特点和限制性
6
小型风力发电机动力结构设计
2.2.1风能的特点
大家可能深有体会，在大风中会站立不稳，说明风具有能量。风所具有的动能我们称为风能，是指空气相对地面做水平运动的时候所产生的动能。根据理论计算和实践结果，我们把具有一定风速的风，通常是指3米/秒到20米/秒的风作为一种能量资源加以开发，用来做功(如发电)，我们把这一范围的风称为有效风能或风能资源。因为风速低于3米/秒时，它的能量太小，没有利用的价值，而风速大于20米/秒时，它对风力发电机的破坏性很大，很难利用。那么风速和我们常常听到的“几级风”有什么关系呢？世界气象组织将风力分为13个等级，如表2-1所示，在没有风速计的时候，可以根据它来粗略估计风速。
表2-1 风力等级表
⑥
7
小型风力发电机动力结构设计
续表
大风所具有的能量是很大的。风速为9—10米/秒的5级风，吹到物体表面上的力，每平方米约为10千克；风速为20米/秒的9级风，吹到物体表面上的力，每平方米约为50千克；风所含的能量比人类迄今为止所能控制的能量要大得多。
8
小型风力发电机动力结构设计
2.2.2 风能的优点和局限性
风能与其他能源相比，有明显的优点，但也合其突出的局限性。 Ⅰ.风能的优点
①蕴藏量大：我们已知道风能是太阳能的一种转换形式，是取之不尽、用之不竭的可再生能源，根据计算，太阳至少还可以像现在一样照射地球60亿年左右。
②无污染：在风能转换为电能的过程中，不产生任何有害气体和废料，不污染环境。 ③可再生：风能是靠空气的流动而产生的，这种能源依赖于太阳的存在。只要太阳存在，就可不断地、有规律地形成气流，周而复始地产生风能，可永续利用。
④分布广泛、就地取材、无需运输：在边远地区如高原、山区、岛屿、草原等地区，由于缺乏煤、石油和大然气等资源，给生活在这一地区的人民群众带来诸多不便，而且由于地处偏远、交通不便，即使从外界运输燃料也十分困难。因此，利用风能发电可就地取材、无需运输，具有很大的优越性。
⑤适应性强、发展潜力大：我国可利用的风力资源区域占全国国土面积的76％，在我国发展小型风力发电，潜力巨大、前景广阔。 Ⅱ.风能的限制性
①能量密度低：由于风能来源于空气的流动，而空气的密度很小，因此风力的能量密度很小，只有水力的1／816。
②不稳定性：由于气流瞬息百变，风时有时无，时大时小，日、月、季、年的变化都十分明显。
③地区差异大：由于地形变化，地理纬度不同，因此风力的地区差异很大。两个近邻区域，由于地形的不同，其风力可能相差几倍甚至几十倍。
2.3我国风能资源区划
根据国家气象局气象研究院的估算，我国的地面风能潜力理论可开发的总量全国32．26亿千瓦，10米高度层实际可供开发量为253亿千瓦，可开发的风能资源是十分丰富的。 为了充分开发利用丰富的风能资源，在研究了各地风能资源差异的基础上，进行了风能资源区划，为设计、生产部门研制风力机以及广大用户选购风力机提供科学依据，并为政府部门制定能源规划提供参考。 我国风能资源区划。
在我国的不同地区，风能资源是不同的。分为4种类型：
(1)风能资源丰富区：这一区域的有效风能功率密度在200瓦/米以上，风速不低于3．5米/秒的时间，全年为7000—8000小时左右。
(2)风能资源较丰富区：这一区域的有效风能功率密度为150瓦/米以上，风速不低于3．5米/秒的时间，全年为4000小时以上。
(3)风能资源可利用区：这一区域的有效风能功率密度为50瓦/米以上，风速不低于3．5米/秒的时间，全年为2000小时以上。
(4)风能资源欠缺区：这一区域的有效风能功率密度50瓦／米以下，风速不低于3．5米/秒的时间，全年为2000小时以下。
2
2
22
⑦
9
小型风力发电机动力结构设计
根据全国气象台站风能资料的统计和计算，表2-2给出我国风能区占全国面积的百分比。
表2-2 我国风能区占全国面积的百分比
2.4什么样的风能对人类有用
风虽然随处可见，但是也有可利用和不可利用之分，它与风速有直接关系。根据上面风能资源区划，年平均风速小于2米/秒的地区，其潜能很低，至少目前没有什么利用价值。年平均风速在2—4米/秒的地区，是风能可利用区，在这一区域内，年平均风速在3—4米/秒的地区，利用价值较高，有一定的利用前景，但从总体考虑，该地区的风力资源仍是不高。 年平均风速在4—4、5米/秒的地区基本相当于风能较丰富区；年平均风速大于4．5米/秒的地区，属于风能丰富区。
由此可见，除去一些破坏性极大的风(如台风、龙卷风等)，绝大多数风速在2米/秒以上的风能都是对人类有用的风能。
目前，国内外一般选择年平均风速为6米/秒或以上的高风速区(即风能资源丰富区)，安装并网型风力发电机组，即大型风力发电机组。在这些机组中。我国一般选用单机容量600千瓦以亡的机组建设风电场。这样才能保证机组多发电，经济效益才能显著。独立运行的小型风力发电机组启动风速较低，一般为3米/秒以上就能发电，这些地区分布区域广、我国有相当部分农耕区、山区和牧区属于这种地区。
10
⑧