3风能工程(1)

风能资源的特点
风能资源的优点 可再生资源, 取之不尽, 用之不竭； 偏远地区、海滨、居民分散的无电或少电地区,
是反映风能资源的特性。它是各方位风向频 率的百分数与相应风向平均风速立方的乘积。 根据风能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
风玫瑰图
北
东 西
南
对风系的了解情况
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《美国风能资源图谱集》、《欧洲风力图集》 （欧共体国家）、《拉丁美洲和加勒比海地区 风力图集》（南美和中美）还出版了有关中国、 西班牙、秘鲁、埃及、约旦、索马里、非洲萨 赫勒地区诸国、埃塞俄比亚及独联体部分国家 等的风力地图集。总的来说已基本上有了一套 全世界的风力地图。
不同国家的风能利用潜力和目标
国别 中国
估计潜力 1600GW
目标 装机容量 100~200MW(2000 年)
丹麦 芬兰
11~16TWh/a
1000MW(2000 年) 2000MW(2000 年)
20~35 MW(2000 年) 800 MW(2010 年)
德国 希腊 印度
2.7GW(经济潜力) 6.4TW·h/a 20GW
意大利
250 MW(1995 年) 150 MW(2000 年)
300 MW(2000 年)
约旦
50 MW(2010 年)
不同国家的风能利用潜力和目标
国别 约旦 荷兰
估计潜力
挪威 西班牙
瑞典 英国
美国 独联体
14 TW·h/a
30 TW·h/a 45 TW·h/a（岸上） 230 TW·h/a（海上）
一些国家为了大规模的开发和利用风能 资源, 已开展了风能资源调查, 并确定了 风能利用的近期目标。下表给出了有关 风能潜力和目标, 多数的研究中没有给出 明确的“潜力”定义, 因此表中所给出的 数字, 是不同形式的风能潜力分析的综合 。
不同国家的风能利用潜力和目标
1988年出版了一本调查报告, 该调查报告 指出了哪些发展中国家在风能利用方面 可能是最有前途的。这份调查报告不仅 评价了气候因素和经济因素, 而却也评价 了科研方面和技术方面的因素。发展风 能条件最好的发展中国家是约旦、印度、 巴基斯坦和中国, 其次是毛里塔尼亚、摩 洛哥、智利。
我国风能资源
• 风能丰富区 东南沿海、台湾、海南西部、南海群 岛、内蒙北部、阴山东、松花江下游。 • 风能较丰富区 东南沿海离岸20~50km地带、海南 东部、渤海沿岸、东北平原、内蒙东部、河西走廊、 青藏高原 • 风能可利用区 闽、粤两岸50~100km地带、大小兴 安岭、辽河流域、苏北、长江及黄河下游、两湖沿岸 等地带。 • 风能欠缺区 四川、甘肃、陕西、贵州、湘西、岭 南等地。
应当注意的是, 全球潜在的风力发电能力主 要取决于每平方公里的平均风能发电量。 我们把这个值选为0.33MW, 是根据一些 地区的研究结果得出的。为了得出不同 地区的更准确的值, 还需要作进一步的详 细研究。因此, 这个值仅是初步的粗略估 计值, 最终的潜力估计值有可能高于或低 于这个值。
另外, 还应该指出, 这个全球风力发电潜力
全球风环流图
风形成的原因
太阳能正是形成大气压差的原因。 地球上某处所接受的太阳辐射能正是与该地点太
阳照射角的正弦成正比。
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。
海陆风形成图
白昼海陆风
夜间陆海风
山谷风形成图
白天“谷风”
立风能发电站的场点的地理位置的限制。
▪ 技术潜力 技术潜力要根据场点潜力来计算, 并把可以利
用的技术（如效率、涡轮机的大小等）考虑进去。
▪ 经济潜力 经济潜力实际上就是能够实现经济效益的技
术潜力。
▪ 设备潜力 对那些在一定的时间内能够实现的风力涡轮
机能力进行估计时, 不利的和有利的因素都要考虑到。
不同国家的风能利用潜力和目标
（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 称为切除风速 （4）国内通常取3m/s为起动风速, 20m/s 为切除封锁, 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。
41
7876
18
3310 注: 根据
42
1968 地面风力
29 32 30 20 （11）
6783 2566 2209 4188 （1056）
情况将全 球分为8 个区域 （中国不 算做一个 独立区
6
243 域）。
27
29143
风能资源与利用情况
风能资源的主要参数是当地的年均风速和年平 均风能密度, 当然, 有效风能小时数也很重要。 我国风能总量理论数为16×108kW, 可开发量 为2.25亿, 仅次于美国和前苏联, 居世界第三位。
km2
如果将这个面积用作风田，则每平方公里的发电能力为
8MW，总装机容量可达24×1013W。当然，这只是个
假设数字，因为这部分面积还有其他方面的用途。按比
较现实的估计，风速高于5.1m/s的陆地面积中有4%可以 用作安装风力发电机的风田。这个4%的数字可以从美
国和荷兰风力发电潜力的详细研究结果推导出来。这表
对风能潜力的测量
根据目前已经掌握的区域性可利用的风能 资源资料, 已经对不同地区的可作为能源 的风能潜力进行了研究。在比较这些研 究成果时, 需要区分出不同形式的潜力。 在这里将它们分为以下5种类型
对风能潜力的测量
▪ 气象学潜力 实际上这相当于可利用的风能资源。 ▪ 场点潜力 这要视气象学潜力而定, 但又受到那些可以建
——风能资源及利用现状
本章的主要学习内容
风的起源及特性 风能的特点 风能利用历史情况 中国风能发展现状 中国风力发电发展预测 中国利用风能的历史概况
本节的主要学习内容
风的形成 风向与风速 风的能量
一、风的起源？
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。
2500GW 2000 TW·h/a
目标 装机容量 50 MW(2010 年) 1000 MW(2000 年) 2000 MW(2010 年)
100 MW(1993 年) 100 MW(1996 年)
4000~8000 MW(2010 年)
根据世界范围的风能资源图, 我们估计, 地 球陆地表面（107×106km2）的27%的年 平均风速高于5m/s（距离地面10m处）。 表2给出了地面平均风速高于5.1m/s的陆 地面积。这部分面积总共约为3×107
风形成的原因
地球上各处所接受的太阳辐射能不均匀。 地球上各点处地形地貌影风的形成。
风的全球分布
在北纬30°和南纬30° 之间, 空气在赤道区受热而上升, 又不断地被来自南方和北方的较强的冷空气所补充, 这 就形成了所谓的哈德利（Hadley）环流。在地球表面, 这就意味着“冷”风刮向赤道；而来自北纬30°和南 纬30°的空气又非常的干燥, 并且向东移动, 这是因为 地球自转的速度在这些纬度比在赤道低的多。在这些 纬度上有许多沙漠地区, 例如撒哈拉沙漠。北纬30°至 70°之间是西风盛行区。这些风形成波形环流, 向南 （或北）输送冷空气, 向北（或南）输送暖空气。这种 类型称作罗斯比环流。
风的随机性变化
风速是不断变化的, 一般所说的风速是指 变动部位的平均风速。 通常自然风是一种平均风速与瞬间激烈 变动的紊流相重合的风。紊乱气流所产 生的瞬时高峰风速也叫阵风风速。
三、风的能量
风能 有效风能 风能玫瑰图
1. 风能
就是空气流动的能量。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。
夜间“山风”
二、风向与风速
风向 风速 起动风速 切除风速 有效风速 风速级别 影响风速的主要因素 瑞利分布公式
二、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。
从100—1000m的区段称为上部摩擦层, 以 上三区域总称为摩擦层。
摩擦层之上是自由大气。
不同高度处风速的变化图
风随高度的变化
约1km
自由大气
约100m 2m
上部摩擦层
下部摩擦层 底层
摩擦层 （大气境界层）
地面境界层
不同地面上风速和高度的关系
地面境界层内空气 流动受涡流、黏性 和地面植物及建筑 物等的影响, 风向基 本不变, 但越往高处 风速越大。
的估计值是针对大尺度联网式风力发电 机而言的。对于平均风速为3m/s的地区,
风力泵和蓄电池充电器可以说是一种很
经济的风能利用方式。年平均风速在 4.4m/s和5.1m/s之间（2级）的陆地面积 约占地球总面积的50%。这表明小尺度
的风力发电机的应用在世界许多地区是 可行的。
表2 世界风能资源评估
地区
北美 拉丁美洲和加勒比 西欧 东欧和独联体 中东和北非 撒哈拉以南非洲 太平洋地区 （中国） 中亚和南亚 总计
陆地面积 （103km2）
19339 18482 4742 23047 8142 7255 21345 （9597）
4299 106660
风力为 3~7 级所占的比例面积
比例（%） 面积（103km2）
据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2％转化为风
能, 但其总量仍是十分可观的。全球的风能约为 2.74×109MW, 其中可利用的风能为2×107MW, 比地球 上可开发利用的水能总量还要大10倍。
一、风的起源？
太阳的热辐射在地球上引起的“空气流动”。 到达地球的太阳能约有2%转变成风能。 我国位于亚洲大陆东南、濒临太平洋西岸, 季 风强盛。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。
影响风速的主要因素
①垂直高度； ②地形地貌； ③地理位置； ④障碍物。
风速级别 见94页
风随时间的变化
风随时间的变化，包括每日的变化和季节的变化。通
常一天之中风的强弱在某种程度上可以看作是周期性 的。如地面上夜间风弱，白天风强；高空中正相反是 夜里风强，白天风弱。这个逆转的临界高度约为100～ 150m。
在一定的时间范围内, 某风向出现的次数 占各风向出现的总次数的百分比, 称作风 向频率。
在陆地上观测风向用16个方位（海上用 32个方位）,
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. 有效风能
计算某地一年内风能的大小, 不能简单的 用年平均风速, 还要考虑风速分布的情况。 将年有效风能除以年有效风速持续小时 数, 即得到有效风能密度。
3.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。
明，每平方公里的平均风力发电装机容量约为0.33 MW。 如果我们假设这些风力发电机平均年发电2×106kW·h （即设备利用系数为23%），则全球陆地上的风力发电 能力估计可达2.3×1012W，约相当于每年发电20×1012 kW·h（20000TW·h）。为了便于比较，我们给出下列数 字: 1987年全球的能源消耗约12.5 TW，全世界电能消耗 约1 TW。
由于季节的变化，太阳和地球的相对位置也发生变化，
使地球上存在季节性的温差。因此风向和风的强度也 会发生季节性变化。我国大部分地区风的季节性变化 情况是: 春季最强，冬季次之，夏季最弱。当然也有部 分地区例外，如沿海温州地区，夏季季风最强，春季 季风最弱。
离地面2m以内的区域称为底层； 2—100m的区域称为下部摩擦层, 二者总 称为地面境界层；