小型风力发电机与风能利用

一、风的形成

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”。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性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. 风的种类

为了区别不同的风，我们给它们都取个名字。下面就让我们分别认识它们吧。

（1）贸易风：在地球赤道上，热空气向空间上升，分为流向地球南北两极的两股强力气流，在纬度30 度附近，这股气流下降，并分别流向赤道与两极。在接近赤道地区，由于大气层中大量空气的环流，形成了固定方向的风，自古以来，人们利用这种定向风，开展海上远程贸易，所以称为贸易风。由于地球自西向东旋转的结果，贸易风向西倾斜，此时北半球产生了东北风，而南半球则产生了东南风，如图2-1所示。





（2）旋风和反旋风：由两极流向赤道的冷空气气流与由赤道流向两极的热空气气流相遇处（约在纬度50~60度附近）构成了涡流运动，为旋风和反旋风，而非定向的、常见的环流。地形的差异（如陆地、海洋、山岳、森林、沙漠）使在同一纬度上受到程度不同的加热，因而产生了地区性风。

（3）轻风：由于昼夜之间的温度变化而产生的沿海岸风称为轻风。当日间有太阳时，陆地所接受的热量较海洋强烈，因而陆地上空的空气较轻，于是陆地上空的空气向上升，冷空气力图自海洋流向沿岸陆地，于是产生了海风。陆地上的热空气则流向海洋，到离海岸某一距离处下降。而在夜间，陆地上的空气比海洋上的空气冷却较快，因此，陆地上的下层空气流向海洋，而上层空气则由海洋流向陆地，形成了与白昼相反的风向，称为陆地风（图2-2）。轻风方向的更换决定于地形条件。海风通常自上午9~10时开始，陆地风则在日落以后开始。轻风仅在沿海岸才遇到，流动可及的距离约为在海洋和陆地两方各40千米之间。



（4）季节风：陆地上每年的温度变化较海洋大，同样也引起与轻风相似，但具有季节性的气流循环，它的强度大于轻风的气流循环强度，这种风称为季节风。

（5）平原和山岳风：山岳地区在一昼夜间有周期性的风向变换，与轻风相似，平原风每日上午自9—10时至日落沿山岳的坡度向高处流动，在夜间则与此相反，气流自山岳流向平原，形成了山岳风。如果平原处于海岸处，则会引起特别强劲的风，因在夜间，山岳风被陆地风增强了，而在日间，平原风被海风增强。夜间的山岳风是由于山顶的冷空气具有较大密度，流向平原，形成夜间山岳风。平原风的产生则是由于日间山岳斜面上的空气较热于平原上的空气，因此地势低处的空气膨胀，引起空气流动。

3. 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10 000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：υ=υ1 （h/h1）n （2-1）

对数公式：υ=υ1 （1gh/h0）/ 1g（h1/h0） （2-2）

式中：υ1——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。



二、风能的特点和限制性

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。





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。

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，但也有其突出的局限性。

（1）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、石油和天然气等资源，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。

（2）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。



三、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为32.26亿千瓦，10米高度层实际可供开发量为2.53亿千瓦，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。我国风能资源可划分为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2以上，风速不低于3.5 米/秒的时间，全年为7 000~8 000小时左右（19~22小时/天）。

（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2 以上，风速不低于3.5米/秒的时间，全年为4 000小时以上（11小时/天）。

（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2以上，风速不低于3.5米/ 秒的时间，全年为2 000小时以上（5.5小时/天）。

（4）风能资源欠缺区：这一区域的有效风能功率密度50瓦/ 米2以下，风速不低于3.5米/秒的时间，全年为2 000小时以下（5.5小时/天）。

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。





四、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600千瓦以上的机组建设风电场。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。



五、你居住的地方有没有丰富的风能资源

根据上面对风能资源的区划方法，利用我国2 434个气象台站的多年测试的年平均风速资料，绘制了全国3~20米/秒风速全年积累小时数分布图。

风能较丰富的地区大致为：内蒙古的中西部，10月以后每当冷空气过境，就产生5~6 级以上大风；渤海沿岸，因受海洋的影响，风力较大；内蒙古的通辽市和赤峰市，因受大兴安岭余脉的影响，风力较大；新疆的准噶尔盆地，因南面为天山，盆地成为冷空气南下的通道，特别是冬、春季，风力较大。还有东南沿海、东海、南海群岛，台湾和南海西部，这些地区的风能为全国最大；此外，黄河沿岸地区风能资源也较丰富。

风能欠缺区大致在雅鲁藏布江河谷和塔里木盆地，这两个地区由于四面环山，风能很小，基本上没有利用价值；而云南的西部和南部，东南丘陵地区和南岭山区，风能密度很小；四川盆地，风速很低，这些地区的风能也难利用。

除上述地区外，其他地区就属于风能可利用区了，它们大致分布在华北南部、江淮下游、福建西部、关中、甘南、四川西部、塔里木盆地南部、青藏高原的东部和南部、甘肃、宁夏的一部分。

你居住的地方有没有丰富的风能资源？你就可以根据风速时数分布来判断。前面我们已经讲了风能资源由于受地形、地貌的影响很大，因此还要到你居住附近的气象台站去查阅当地的风能资料。



六、风能资源开发判断依据：

1. 风能的计算公式

我们在上面几节中已大致讲了多大的风能资源值得开发利用，但是要比较地判断，就要用“风能公式”来进行计算，下面这个公式就是的“风能公式”：

E=1/2（ρtsυ3）

式中：

ρ——空气密度（千克/米2）；

υ——风速（米/ 秒）；

t——时间（秒）；

S——截面面积（米2）。

它是风能利用中常常要用的公式。由风能公式可以看出，风能主要与风速、风所流经的面积、空气密度三个因素有关，其关系如下：

（1）风能（E）的大小与风速的立方（υ3）成正比。也就是说，影响风能的最大因素是

风速。

（2）风能（E）的大小与风所流经的面积（s）成正比。对于风力发电机来说，就是风能与风力发电机的风轮旋转时的扫掠面积成正比。由于通常用风轮直径作为风力发电机的主要参数，所以风能大小与风轮直径的平方成正比。

（3）风能（E）的大小与空气密度（ρ）成正比。空气密度是指单位体积（m3）所容纳空气的质量（千克）。因此，计算风能时，必须要知道空气密度ρ值。空气密度ρ值与空气的湿度、温度和海拔高度有关，可以从相关的资料中查到。

2. 判断风能资源是否值得开发的依据

从风能公式我们可以看到，影响风能资源的主要因素是风速，我们通过风能的区划可以看到，风能欠缺区由于平均风速很低，没有开发价值。另一方面，我们还要考虑到，功率不同的风力发电机，对风速的要求是不同的，因此判断某一地区的风能资源是否值得开发，还要考虑你准备采用的风力发电机的功率大小和机型。

（1）大型风力发电机（100千瓦以上）可能发展的地区，其年平均风速大约为6米/ 秒以上，在全国范围内，仅仅局限于几个地带，就陆地而言，大约占全国总面积的1/100。

（2）中型风力发电机（10千瓦级及以上）可能发展的地区，其年平均风速大约为4.5米/ 秒以上，在全国范围内，可以发展中型风力发电机的地区，大约占全国陆地总面积的1/10。

（3）小型风力发电机（10 千瓦级及以下）可能发展的地区，其年平均风速大约为3米/秒以上，在全国范围内，可以发展小型风力发电机的地区范围较大，大约占全国陆地总面积的40%以上。

具体说，东北除大兴安岭、长白山脉的背风低谷等不利地形外；内蒙古的大部；京、冀、晋、陕、宁、甘的北部；青海的中西部；西藏的雅鲁藏布江河谷以外的大部；新疆除两大盆地及阿尔泰山等的外围地区；津、冀、鲁、豫的东部；江苏、皖北至江西、湖北的两湖地区；向南包括浙、闽、两广的沿海；云南东北部等都是小型风力发电机可能发展的地区。

地球上的风能资源约为200万亿千瓦时/年，目前已被开发利用的部分是微不足道的。如果将1%的地面风能资源开发利用，就能满足全世界对能源的需求。可见风能的开发利用潜力是多么巨大。

我们伟大的祖国地域辽阔、幅员广大，除少数省份年平均风速比较小以外，大部分省、市、自治区，尤其是西南边疆、沿海和三北（东北、西北、华北）地区，都有着极有利用价值的风能资源。我们要认识和掌握风能利用的规律，将丰富的风能资源利用起来，造福于人类。

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