第一章风能资源测量与评估

第一章风能资源概述
第一节风能基础知识
一、风的形成
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直接原因。

改变空气密度主要方法
（1）加热或冷却
（2）外力作用
二、影响地球表面空气流动的主要因素
1、太阳辐射
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。

2、地球自转
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-科里奥利力。

科里奥利力是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。

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。

3、地球表面陆地和海洋等地形分布的影响
（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
4、局部热效应的影响
三风的种类
1、大气环流（三圈环流）——全球性的风
大气环流是在全球范围内空气沿一封闭轨迹的运动，是决定全球风能分布最基础、最重要的因素。

了解当地的盛行风向对微观选址具有重要的意义，我们可以避开盛行风向上的障碍物，当然，当地的地形条件对风向的分布也具有决定作用。

2、季风环流
季风现象：在一个大范围地区内其盛行风向或气压系统有明显的季度变化。

主要是由于海陆分布的热力差异及行星风带的季节转换所形成的。

我国是一个典型的季风气候国家。

无论风电场的选址或运行，季风特征必须认真考虑。

一般来讲在我国，季风的表现是：在冬季，风从陆地吹向海洋；在夏季，风从海洋吹向陆地
3、局地环流
1、海（湖）陆风
2、山谷风
3、峡谷（峡管）风
峡谷效应使风速增大，不论是高大的山脉或是中小尺度的山脉只要存在峡谷或缢口河谷都有峡管效应，因为在谷地中流场压缩，其风速将比两侧加强，即产生峡管效应。

4、地形加速（爬坡）风
当气流通过山地时，由于受到地形阻碍的影响，流场发生变化。

在山的迎风面下部由于气流受阻，风速减弱，且有上升气流。

在山的顶部和两侧，因为气流线密集，风速加强。

四、风的描述
风速：风移动的速度，即单位时间空气流动所经过的距离。

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：
1、将每小时内测量的瞬时风速取平均值；
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
由每小时平均风速值为基础可计算出每日、每月、每年的平均风速值
风向：风吹来的方向。

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，通过放射状雷达图表示。

风向玫瑰图表示风向和风向频率。

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。

风的特性：特性：周期性、多样性、复杂性
第二节风能资源的描述
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
2、地面边界层
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%）。

风速随高度的变化规律称为风切变或风速轮廓线。

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。

3. 风切变或风廓线
平均风速随高度的变化（风剪切数据模型）
4. 湍流的强度
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。

5、风频分布
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。

6、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。

风能功率：风在单位时间垂直界面F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
7、有效可用风能
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。

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。

第三节我国风能资源情况
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等深线的海域面积为15.7万Km2 。

2002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。

一、我国风能资源的特点
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。

二、我国风能资源分区
（1）最大风能资源区
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。

（2）次最大风能资源区
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的风速全年累积时数分别为7000和3000.
（4）较大风能资源区
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。

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（5）最小风能资源区
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。

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。

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（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。

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三、我国风能的三级区划指标体系
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。

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。

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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。

第三级区划指标：风力机的最大工作风速
第四节风资源测量
一、风能资源评估步骤
对某一地区进行风能资源评估，是项目考察和项目建设前期所必须进行的重要工作。

风能资源评估分如下几个阶段：
1.1资料收集、整理分析
主要内容主要包括:从地方各级气象台、站及有关部门收集有关气象、地理及地质数据资料、电网接入情况、土地利用现状、周围风电发展情况等等（尽量的收集周围已有测风塔数据资料），对当地风资源资料进行分析和归类，从中筛选出具代表性的完整的数据资料。

能反映某地气候的多年(10年以上，最好30年以上)平均值和极值，如平均风速和极端风速，平均和极端(最低和最高)气温，平均气压，雷暴日数以及地形地貌等。

1.2 风能资源普查及风电场的宏观分区
对收集到的资料进行进一步分析，划分风能区域及其风功率密度等级，初步确定风能利用率较高的区域。

根据风能资源调查与分区的结果，选择最有利的场址，以求增大风力发电机组的出力，提高供电的经济性、稳定性和可靠性；最大限度地减少各种因素对风能利用、风力发电机组使用寿命和安全的影响；结合项目考察所获得的当地电力需求及交通、电网、土地使用、环境等资料。

根据风能资源查勘结果，初步确定几个风能可利用区，分别对其风能资源进行进一步分析、对地形地貌、地质、交通、电网及其他外部条件进行评价，并对各风能可利用区进行相关比较，从而选出并确定最合适的风电场场址。

这一般通过利用收集到的该区气象台、站的测风数据和地理地质资料并对其分析、到现场询问当地居民、考察地形地貌特征如长期受风吹而变形的植物、风蚀地貌等手段来进行定性，从而确定风电场场址。

1.3 风电场风况观测
一般情况下，气象台、站提供的数据只是反映较大区域内的风气候，而且，由于仪器本身精度等问题，数据不能完全满足风电场精确选址及风力发电机组微观选址的要求。

因此，为正确评价已确定风电场的风能资源情况，取得具有代表性的风速风向资料，了解不同高度处风速风向变化特点，以及地形地貌对风的影响，有必要对现场进行实地测风，为风电场的选址及风力发电机组微观选址提供最准确有效的数据。

现场测风可以在场区设立单个或多个测风塔来进行，时间至少1年以上，有效数据不得少于90％。

内容包括风速、风向的统计值和温度、气压等。

测风塔的数量依地形和项目的规模而定。

1.4 测风塔的安装
1.4.1 测风塔安装的目的
对测风塔安装位置的选择及其主要，主要通过对各种地形下的风速变化机理进行分析，再结合当地地质情况、海拔高度和主导风向等给出测风塔安装的最佳位置，获得最有代表性的风能资源。

测量仪器
风速的测量一般采用风杯式风速计，这种风速计一般由一个垂直方向的旋转轴和三个风杯组成，风杯式风速计的转速可以反映风速的大小。

一般情况下，风速计与风向标配合使用，可以记录风速和风向数据，
机械式测风仪器的优点在于可靠性高，成本低。

但同时也存在机械轴承磨损的情况，因此需要定期检测甚至更换。

另外，在结冰地区，需要安装加热设备防止仪器结冰。

1.4.2 测风塔的选址
1.4.
2.1 测风塔选址方法
对于前面工作中已确定的风电场区域，首先获取1：5 万的风电场区域地形图，根据风电场区域给定的各个拐点坐标，确定风电场在地形图上的具体位置，并扩展到外沿5km的半径范围，根据等高线的多少、疏密、和弯曲形状以及标注的高程等对风电场的地形地貌进行分析，确定风电场区域内的高差和坡度，找出影响风力变化的地形特征，如高山、丘陵以及其它障碍物。

1.4.
2.2 测风塔选址原则
1、主风向
主风向上没有障碍物；
2、地形及山脉走势
分清总体地形及山体走势，需要1：50000地形图；
3、代表性
能够代表周围地形；
4、参照性
测风塔之间相互参照，不单指要有相关性，更要能体现在不同的环境下风资源差距，以看出几个地方能够相差多少；
5、标定界限
明确风电场周围土地权属，在需要的时候标定界限；
6、中心位置
尽量考虑风电场中心位置；
7、风电场一期所在地
测风塔尽量安排在一期工程范围内；
8、粗选和细选
粗选确定测风塔所在的大致位置，细选在粗选的基础上分清局部环境确定最终坐标；
二、风能资源评估参数
2.1平均风速
平均风速是最能反映当地风能资源情况的重要参数。

分月平均风速和年平均风速。

2.2 风功率密度
由风能公式可知，风功率密度只和空气密度和风速有关，对于特定地点，当空气密度视为常量时，风功率密度只由风速决定。

由于风速具有随机性，其每时每刻都在变化，故不能使用某个瞬时风速值来计算风功率密度，只有使用长期风速观测资料才能反映其规律。

风功率密度越高，则该地区风能资源越好，风能利用率也高。

风功率密度的计算可依据该地区多年的气象站数据和当地测风设备的实际测量数据进行；也可利用W AsP软件对风速风向数据进行精确的分析处理后计算。

2.3 主要风向分布
风向及其变化范围决定风力发电机组在风电场中的确切的排列方式，风力发电机组的排列方式很大程度地决定各台风力发电机组的出力从而决定风电场的发电效率，因此，主要盛行风向及其变化范围要精确。

同平均风速一样，风向的统计分析也要依据多年的气象站数据和当地测风设备的实际测量数据进行。

利用W AsP软件可对风向及其变化范围进行精确的计算确定。

2.4 年风能可利用时间
年风能可利用时间是指一年中风力发电机组在有效风速范围（一般取3~25m/s）内的运行时间。

三、风能资源评估软件
3.1 WAsP软件简介
3.2 WindFarmer 软件简介3.3 WindSim 软件简介3.4 Meteody WT软件简介3.5 WindPRO软件简介。