用于风电项目的风测量技术

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风的测量一、任务导入风很早就被人们利用——主要是通过风车来抽水、磨面……。现在，人们感兴趣的，首先是如何利用风来发电。风是一种潜力很大的新能源，地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦，几乎是现在全世界水力发电量的10倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此，国内外都很重视利用风力来发电，开发新能源。二、相关知识风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力，特别是对沿海岛屿、交通不便的边远山区、地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。学习情境1风力资源的基本知识（一）风的形成风是一种自然现象，地球表面的空气水平运动称之为风，风是地球外表大气层由于太阳的热辐射而引起的空气流动。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，也就是说风能最终还是来自太阳能。受地形、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。简单地说，太阳的辐射造成地球表面受热不均，引起大气层中压力分布不均，空气沿水平方向运动形成风，风的形成就是空气流动的结果。大气压差是风产生的根本原因，由于大气层中的压力分布不均，从而使空气沿水平方向运动，空气流动所形成的动能称为风能。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。地球上全部风能估计约为2×1017kW，其中，可利用的约为2×1010kW，这个能量是相当大的，是地球水能的十倍。因此也可以说风能是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源。（二）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30º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，由于大气层中大量的空气环流，形成了固定方向的风，自古以来，人们利用这种定向风，开展海上远洋贸易，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，此时北半球便产生了东北风，而南半球则产生了东南风。2．旋风和反旋风。在地球南北两极流向赤道的冷空气气流与赤道流向两极的热空气气流相遇处(在纬度50º～60º附近)构成了涡流运动，形成旋风和反旋风。3．地区性风。18

1由于地形的差异(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。白天山坡受热快，温度高于山谷上方同高度的空气温度，坡地上的暖空气从山坡流向谷地上方，谷地的空气则沿着山坡向上补充流失的空气，这时由山谷吹向山坡的风，称为谷风。夜间，山坡因冷却降温速度比同高度的空气快，冷空气沿坡地向下流入山谷，称为山风。如图1-1所示。山谷能改变气流运动的方向，还能使风速增大，而丘陵、山地会因为摩擦而使风速减小，孤立的山峰会因海拔高而使风速增大。图1-1山谷风形成示意图（a白天，b夜间）4．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，在有太阳时，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。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，流动的距离约为在海洋和陆地两方各40km之间。如图1-2所示。图1-2海陆风形示意图5.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。6．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。夜间的山岳风的产生则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照山岳斜面上的空气较平原上的空气热，因此地势低处的空气膨胀，引起空气流动。（三）风的特点1．风随时间变化。18

2在一天内，风的强弱是随机变化的。在地面上，白天风大，而夜间风小；相反，在高空中却是夜间风大，白天风小。在沿海地区，由于陆地和海洋热容量不同，白天产生海风(从海洋吹向陆地)；夜间产生陆风(从陆地吹向海洋)。在不同的季节，太阳和地球的相对位置也发生变化，使地球上存在季节性温差，因此，风向和风的强度也会发生季节性变化。在我国，大部分地区风的季节性变化规律是：春季最强，冬季次强，秋季第三，夏季最弱。2．风随高度变化。由于空气的黏性和地面摩擦的影响，风速随高度变化还因地面的平坦度，地表粗糙度以及风通道上的气温变化不同而异。特别是受地表粗糙度的影响程度最大。从地球表面到10000m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，常用计算风速随高度的变化的公式有：指数公式（1-1）对数公式（1-2）式中：vl为高度为h1的风速；hl为高度(一般为10m)；v为待测高度h处的速度；h为待测点离地高度；h0为风速为零的高度；n为指数，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。粗糙度大的大城市常取1／3，一般上下风速差较小，n较小，反之n值取大。3．风变化的随机性。自然风是一种平均风速与激烈变动的瞬间紊乱气流相重合的风，气流紊乱主要与地面的摩擦有关，除此之外，当风速与稳定层是垂直分布时会产生重力波，在山风下侧也会产生山岳波。这种紊乱气流不仅影响风速，也明显影响风向。如果按时间区分，可将风向的变化区分为：1）一年或一个月内风向的趋势。2）短时间内变动的紊乱气流。3）介于两者之间的平均风向。总之，风的特点为：①风的变化性和不稳定性；②风力大小从地球表面，随海拔的升高而增大；③空气的密度随海拔的升高而减小。（四）风的基本特征风作为一种自然现象，有它本身的特性。通常采用风速、风频等基本指标来表述。1．风速风的大小常用风的速度来衡量，风速是单位时间内空气在水平方向上移动的距离。风速的单位常以m／s、km／h、mile／h等来表示。专门测量风速的仪器有旋转式风速计、散热式风速计和声学风速计等。风速仪安装高度不同，所得到的风速结构也不同，它随高度升高而增强，通常测风高度为10m。1）瞬时风速：因为风是不恒定的，所以风速经常变化，在某一瞬间测得风速为瞬时风速；18

32）平均风速：在某一段时间内，瞬时风速的算术平均值称为平均风速因此风速仪测得的风速是平均风速。我们将年平均风速作为评价一个风场开发利用价值的重要指标。当年平均风速大于5m/s时，风能的开发才有经济价值。2．风频风频分为风速频率和风向频率。1)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、风速变化小。2)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。3．风向：风向是指风吹来的方向，如果风从东面吹来，则称为东风。观测陆地上的风向一般采用16个方位（海上的风向通常采用32个方位），即以正北为零，顺时针没转过22.5°为一个方位，如图1-3所示。图1-3风向16方位图图1-4风向玫瑰图各种风向出现频率常用风玫瑰图来表示。风玫瑰图是在极坐标图上，点出某年或某月各种风向出现的频率，称为风向玫瑰图。同理，统计各种风向上的平均速度和风能的图，分别称为风速玫瑰图和风能玫瑰图。如图1-4所示。（五）风能、风能密度1．风能就是空气的动能，是指风所负载的能量，风能的大小决定于风速和空气的密度。风的能量是由太阳辐射能转化来的，太阳每小时辐射地球的能量是1．74×1017W。风能占太阳提供总能量的1％～2％，太阳辐射能量中的一部分被地球上的植物转换成生物能，而被转化的风能总量大约是生物能的50～100倍。著名的风能公式如下（1-3）式中：ρ为空气密度(kg／m2)；v为风速(m／s)；t为时间(s)；S为截面面积(m2)。它是风能利用中常用的公式。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（v3）成正比。也就是说，影响风能的最大因素是风速。18

4（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扫过的面积成正比。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．风能密度：表征一个地点的风能资源，要视该地区风况和常年平均风能密度的大小。风能密度是单位面积上的风能，对于风力机来说，风能密度是指风轮扫过单位面积的风能，即空气1s时间内以速度v流过单位截面积的动能成为风能密度，常以W/m2来表示。风能密度是决定风能潜力大小的重要因素。（1-4）式中：ρ为空气密度（kg/m2）；v为平均风速（m/s）风能密度与平均速度v的三次方成正比，与空气密度成正比。而空气密度则取决于气压、气温和湿度。因此，不同地方和条件下的风能密度不同。一般来说，海边地势低，气压高，空气密度大，风能密度高；高山地区气压低，空气稀薄，风能密度小。风力机要根据当地的风况确定一个风速来设计的，该风速称为设计风速或额定风速，它与额定功率相对应。由于风的随机性，风力机不可能始终在额定风速下运行。因此风力机就有一个工作风速范围，即从切人风速到切出速度，称为工作风速，即有效风速。依此计算的风能密度称为有效风能密度。全年平均风速在3～20m/s，平均有效风能密度在l00W/m2以上风力资源较丰富的地区才能进行风力发电。（六）风力等级1．风力等级（简称风级），是风速的数值等级表示，是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象来来估计风力的大小，风越强，数值越大。根据理论计算和实践结果，把具有一定风速的风，通常是指3～20m／s的风作为一种能量资源加以开发，用来做功(如发电)，把这一范围的风称为有效风能或风能资源。因为风速低于3m／s时，它的能量太小，没有利用的价值，而风速大于20m／s时，它对风力发电机的破坏性很大，很难利用。世界气象组织将风力分为17个等级，在没有风速计的时候，可以根据它来粗略估计风速。风力等级见表1—1和表1—2。表1—10级~12级风级名称风速（m/s）风速（km/h）陆地地面物象海面波浪浪高（m）浪最高（m）0无风0.0～0.2<1静，烟直上平静0.00.01软风0.3～1.51～5烟示风向微波峰无飞沫0.10.12轻风1.6～3.36～11感觉有风小波峰未破碎0.20.33微风3.4～5.412～19旌旗展开小波峰未破碎0.61.04和风5.5～7.920～28吹起尘土小浪白沫波峰1.01.55劲风8.0～10.729～38小树摇摆中浪折沫峰群2.02.56强风10.8～13.839～49电线有声大浪白沫离峰3.04．07疾风13.9～17.150～61步行困难破峰白沫成条4.05.58大风17.2～20.762～74折毁树枝浪长高有浪花5.57.59烈风20.8～24.475～88小损房屋浪峰倒卷7.010.010狂风24.5～28.489～102拔起树木海浪翻滚咆哮9.012.511暴风28.5～32.6103～117损毁重大波峰全呈飞沫11.516.018

512飓风>32.6>117摧毁极大海浪滔天14.0—表1—213级~17级风级风速/（m/s）风速/（km/h）1337.0~41.4134~1491441.5~46.1150~1661546.2~50.9167~1831651.0~56.0184~2011756.1~61.2202~220风所具有的能量是很大的，风速为9～lOm／s的5级风，吹到物体表面上的力约为10kg／m2；风速为20m／s的9级风，吹到物体表面上的力约为50kg／m2；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．风级歌（如图1-5所示）图1-5风级歌零级烟柱直冲天，一级青烟随风偏；二级轻风吹脸面，三级叶动红旗展；四级风吹飞纸片，五级小树随风摇；六级举伞有困难，七级迎风走不便；八级风吹树枝断，九级屋顶飞瓦片；十级拔树又倒屋，十一二级陆上很少见。在没有风的测量仪器时，或者在仪器装备不能使用时，我们可以根据风级歌所描述的情况对风进行简单的估算。（七）风能的优点和局限性风能是非常重要并储量巨大的能源，它安全、清洁、充裕。目前，利用风力发电已成为风能利用的主要形式，受到世界各国的高度重视，而且发展速度最快。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。18

61)蕴藏量大。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，可永久持续利用。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。学习情境2我国风能资源分布我国的风力资源十分丰富，仅次于俄罗斯和美国，居世界第三位，根据国家气象局气象研究院的估算，我国lOm高度层的风能资源总储量为32．26亿kW，其中实际可开发利用的风能资源储量为2．53亿kW。而据估计，我国近海风能资源约为陆地的3倍，所以，我国可开发风能资源总量约为10亿kW，其中，陆地上风能储量约2．53亿kW(陆地上离地lOm高度资料计算)，海上可开发和利用的风能储量约7．5亿kW。（一）我国风能资源划分图1-6 中国风能分布18

7图1-7 年平均风功率密度分布图1-8 全国平均风速分布图图1-9 中国全年风速大于3m/s小时数分布图18

8在我国的不同地区，风能资源是不同的，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。风能分布具有明显的地域性规律，这种规律反映了大型天气系统的活动和地形作用的综合影响。而划分风能区划的目的是为了了解各地风能资源的差异，以便合理地开发利用。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，将全国风能资源划分为4个大区(30个小区)，见表1—3。表1—3风能区划标准区指标丰富区较丰富区可利用区贫乏区年有效风能密度（W/m）≥200200～150150～50≤50风速≥3m/s的年小时数（h）≥50005000～40004000～2000≤2000占全国面8%18%50%24%包括的小区A34a—东南沿海及台湾岛屿和南海群岛秋冬特强压型；A21b—海南岛南部夏春压型；A14b—山东、辽东沿海春冬压型；B12b—内蒙古北部西端和锡林郭勒盟春夏强压型；B14b—内蒙古阴山到大兴安岭北春冬强压型；C13b-c—松花江下游春秋强中压型；东南沿海及其岛屿，为我国最大风能资源区D34b—东南沿海（离海岸20～50km）秋冬强压型；D14a—海南岛东部春冬特强压型；D14b—渤海沿海春冬强压型；D34a—台湾东部秋冬特强压型；E13b—东北平原春秋强压型；E14b—内蒙古南部春冬强压型；E12b—河西走廊及其邻近春夏强压型；E21b—新疆北部夏春强压型；F12b—青藏高原春夏强压型；内蒙古和甘肃北部，为我国次大风能资源区；黑龙江和吉林东部及辽东半岛沿海，风能也较大G43b—福建沿海（离海岸50～100km）和广东沿海冬秋强压型；G14a—广西沿海及雷州半岛春冬特强压型；H13b—大小兴安岭山地春秋强压型；I12c—辽河流域和苏北春夏中压型；I14c—黄河、长江中下游春冬中压型；I31c—湖南、湖北和江西秋春中压型；I12c—西北五省的一部分及青藏的东部和南部春夏中压型；I14c—川西南和云贵的北部春冬中压型；青藏高原、三北地区的北部和沿海，为风能较大区J12d—四川、甘南、陕西、鄂西、湘西和贵北春夏弱压型；J14d—南岭山地以北冬春弱压型；J43d—南岭山地以南冬秋弱压型；J14d—云贵南部春冬弱压型；K14d—雅鲁藏布江河谷春冬弱压型；K12c—昌都地区春夏中压型；L12c—塔里木盆地西部春夏中压型：云贵川，甘肃、陕西南部，河南、湖南西部，福建、广东、广西的山区（二）可利用的风能18

9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2m／s的地区，目前是没有利用价值区。年平均风速在2～4m／s的地区，是风能可利用区，在这一区域内，年平均风速在3～4m／s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4～4．5m／s的地区基本相当于风能较丰富区。年平均风速大于4．5m／s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2m／s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6m／s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600kW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，一般风速为3m／s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。（三）风能资源开发判断依据从风能公式可以看到，影响风能资源的主要因素是风速，风能欠缺区由于平均风速很低，没有开发价值。另一方面还要考虑，因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，还要考虑采用的风力发电机的功率大小和机型。(1)大型风力发电机(100kW以上)可能发展的地区，其年平均风速大约为6m／s以上，在全国范围内，仅局限于几个地带，就陆地而言，大约占全国总面积的1／l00。(2)中型风力发电机(10kW级及以上)可能发展的地区，其年平均风速大约为4．5m／s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／l0。(3)小型风力发电机(10kW级及以下)可能发展的地区，其年平均风速大约为3m／s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。（四）我国风能资源的特点我国风能资源分布有以下特点。1．季节性的变化我国位于亚洲大陆东部，濒临太平洋，季风强盛，内陆还有许多山系，地形复杂，加之青藏高原耸立我国西部，改变了海陆影响所引起的气压分布和大气环流，增加了我国季风的复杂性。冬季风来自西伯利亚和蒙古等中高纬度的内陆，那里空气十分严寒干燥，冷空气积累到一定程度，在有利高空环流引导下，就会爆发南下，俗称寒潮，在此南下的强冷空气的影响下，形成寒冷干燥的西北风侵袭我国北方各省(直辖市、自治区)。每年冬季总有多次大幅度降温的强冷空气南下，主要影响我国西北、东北和华北，直到次年春夏之交才会消失。夏季风是来自太平洋的东南风、印度洋和南海的西南风，东南季风影响遍及我国东半部，西南季风则影响西南各省和南部沿海，但风速远不及东南季风大。热带风暴是太平洋西部和南海热带海洋上形成的空气涡旋，是破坏力极大的海洋风暴，每年夏秋两季频繁侵袭我国，登陆我国南海之滨和东南沿海，热带风暴也能在上海以北登陆，但次数很少。如图1-10所示。18

10图1-10海陆热力差异引起的季风示意图（a冬季，b夏季）2．地域性的变化中国地域辽阔，风能资源比较丰富。特别是东南沿海及其附近岛屿，不仅风能密度大，年平均风速也高，发展风能利用的潜力很大。在内陆地区，从东北、内蒙古，到甘肃走廊及新疆一带的广阔地区，风能资源也很好。华北和青藏高原有些地方也有可利用风能。东南沿海的风能密度一般在200W／m2，有些岛屿达300W／m2以上，年平均风速7m／s左右，全年有效风时6000多小时。内蒙古和西北地区的风能密度也在150～200W／m2，年平均风速6m／s左右，全年有效风时5000～6000h。青藏高原的北部和中部，风能密度也有150w／m2，全年3m／s以上风速出现时间5000h以上，有的可达6500h。青藏高原地势高亢开阔，冬季东南部盛行偏南风，东北部多为东北风，其他地区一般为偏西风，冬季大约以唐古拉山为界，以南盛行东南风，以北为东至东南风。我国幅员辽阔，陆疆总长达2万多千米，还有18000多千米的海岸线，边缘海中有岛屿5000多个，风能资源丰富。我国现有风电场场址的年平均风速均达到6m／s以上。一般认为，可将风电场分为三类：年平均风速6m／s以上时为较好；7m／s以上为好；8m／s以上为很好。可按风速频率曲线和机组功率曲线，估算标准大气状态下该机组的年发电量。我国相当于6m／s以上的地区，在全国范围内仅限于较少数几个地带。就内陆而言，大约仅占全国总面积的1／100，主要分布在长江到南澳岛之间的东南沿海及其岛屿，这些地区是我国最大的风能资源区以及风能资源丰富区，包括山东、辽东半岛、黄海之滨，南澳岛以西的南海沿海、海南岛和南海诸岛，内蒙古从阴山山脉以北到大兴安岭以北，新疆达坂城，阿拉山口，河西走廊，松花江下游，张家口北部等地区以及分布各地的高山山口和山顶。中国沿海水深在2～10m的海域面积很大，而且风能资源好，靠近我国东部主要用电负荷区域，适宜建设海上风电场。我国风能丰富的地区主要分布在西北、华北和东北的草原或戈壁，以及东部和东南沿海及岛屿，这些地区一般都缺少煤炭等常规能源。在时间上，冬春季风大、降雨量少，夏季风小、降雨量大，与水电的枯水期和丰水期有较好的互补性。（五）影响中国风能资源的因素1．大气环流对中国风能分布的影响东南沿海及东海、南海诸岛，因受台风的影响，最大年平均风速在5m／s以上。东南沿海有效风能密度≥200W／m2，有效风能出现时间百分率可达80％～90％。风速≥3m／s的风全年出现累积小时数为7000～8000h；风速≥6m／s的风有4000h。岛屿上的有效风能密度为200～500W／m218

11，风能可以集中利用。福建的台山、东山，台湾的澎湖湾等，有效风能密度都在500W／m2左右，风速≥3m／s的风累积为8000h，换言之，平均每天有21h以上时间的风速≥3m／s。但在一些大岛，如台湾和海南，又具有独特的风能分布特点。台湾风能南北两端大，中间小；海南西部大于东部。内蒙和甘肃北部地区，高空终年在西风带的控制下。冬半年地面在蒙古高原东南缘，冷空气南下，因此，总有5～6级以上的风速出现在春夏和夏秋之交。气旋活动频繁，当每一气旋过境时，风速也较大。年平均风速在4m／s以上。有效风能密度为200～300W／m2，风速≥3m／s的风全年累积小时数在5000h以上，是中国风能连成一片的最大地区。云南、贵州、四川、甘南、陕南、豫西、鄂西和湘西风能较小，这一地区因受西藏高原的影响，冬半年高空在西风带的死水区，冷空气沿东亚南下很少影响这里。夏半年海上来的天气系统也很难影响到这里，所以风速较弱，年平均风速约在2．Om／s以下，有效风能密度在50W／m2以下，有效风力出现时间仅为20％左右。风速≥3m／s的风全年出现累积小时数在2000h以下，风速≥6m／s的风在150h以下。在四川盆地和西双版纳最小，年平均风速

12（3）中小地形的影响。蔽风地形风速减小，狭管地形风速增大。即使在平原上的河谷，风能也较周围地区大。海峡也是一种狭管地形，与盛行风方向一致时，风速较大，如台湾海峡中的澎湖列岛，年平均风速为6.5m／s。局部地形对风能的影响是不可低估的。在一个小山丘前，气流受阻，强迫抬升，所以在山顶流线密集，风速加强。山的背风面，由于流线辐散，风速减小。有时气流流过一个障碍，如小山包等，其产生的影响在下方5～10km的范围，有些地层风是由于地面粗糙度的变化形成的。风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴藏量巨大，全球风能资源总量约为2.74×109兆瓦，其中可利用的风能为2×107兆瓦。中国风能储量很大、分布面广，开发利用潜力巨大。2015年我国累计并网运行风力装机容量达到1亿千瓦，速度令人惊叹。如果中国能够利用其土地上大约30亿千瓦的风能的话，将能够满足几乎所有中国当前的电力需求。在国际效率标准下运行的话，这能够满足5%的中国电力需求，并且使中国成为世界最大的风能发电国，只要中国采取更进取而有理智的方针，就能最大限度地利用其国家的风能。三、项目实施风的测量通常，地面风用风标和风杯（或螺旋桨）测风表来测量。当仪器装备临时发生故障不能使用或者没有配备仪器时，风向观测和风力观测可以由观测者主观估计（下面提供的风速当量表就常用于估计）。下面将简要介绍常用的测风设备是转杯式风速表和螺旋桨式风速表以及风向标。转杯和风向标、螺旋桨和风向标、以及单独螺旋桨都是常见的组合。（一）风速计1．风速计（1）杯式风速计：它由3个互成120°固定在支架上的抛物锥空杯组成感应部分，空杯的凹面都顺向一个方向。整个感应部分安装在一根垂直旋转轴上，在风力的作用下，风杯绕轴以正比于风速的转速旋转。转速可以用电触点、测速发电机或光电计数器等记录。如图1-11所示。图1-11杯式风速计图1-12螺旋桨式风速计（2）螺旋桨式风速计：它是一组三叶或四叶螺旋桨绕水平轴旋转的风速计，通过尾翼使其旋转平面始终正对风的来风速计向，它的转速正比于风速。如图1-12所示。（3）热线风速计：热线风速计是采用一根被电流加热的金属丝，流动的空气使它散热，利用散热速率和风速的平方根成线性关系，再通过电子线路线性化，即可制成热线风速计。热线风速计分旁热式和直热式两种。旁热式的热线一般为锰铜丝，其电阻温度系数近于零，它的表面另置有测温元件。直热式的热线多为铂丝，在测量风速的同时可以直接测定热线本身的温度。热线风速计在小风速时灵敏度较高，适用于对小风速测量，是大气湍流和农业气象测量的重要工具。如图1-13所示。18

13图1-13热线风速计图1-14数字风速仪图1-15声学风速仪（4）数字风速仪：数字风速仪是专为各种大型机械设备研制开发的大型智能风速传感报警设备，其内部采用了先进的微处理器作为控制核心，外围采用了先进的数字通讯技术。系统稳定性高、抗干扰能力强，检测精度高，风杯采用特殊材料制成，机械强度高、抗风能力强，显示器机箱设计新颖独特，坚固耐用，安装使用方便。所有的电接口均符合国际标准，安装时免调试，适用于不同的工作环境。如图1-14所示。　（5）声学风速计：在声波传播方向的风速分量将增加（或减低）声波传播速度，利用这种特性制作的声学风速表可用来测量风速分量。声学风速表至少有两对感应元件，每对包括发声器和接收器各一个。使两个发声器的声波传播方向相反，如果一组声波顺着风速分量传播，另一组恰好逆风传播，则两个接收器收到声脉冲的时间差值将与风速分量成正比。如果同时在水平和铅直方向各装上两对元件，就可以分别计算出水平风速、风向和铅直风速。由于超声波具有抗干扰、方向性好的优点，声学风速表发射的声波频率多在超声波段。如图1-15所示。2.风向标风向标是测量风向的常用装置，有单翼型、双翼型和流线型。风向标一般由尾翼、指向杆，平衡锤及旋转主轴四部分组成的首尾不对称的平衡装置。其重心在支撑轴的轴心上，整个风向标可以绕垂直轴自由摆动。在风的动压力作用下，取得指向风的来向的一个平衡位置，即为风向的指示。传送和指示风向所在方位的方法有很多，有电触点盘、环形电位、自整角机和光电码盘四种类型，其中最常用的是码盘。风向杆的安装方位指向正南。风速仪一般安装在离地10m的高度上。如图1-16所示。图1-16风向标3．风速记录风速记录是通过信号的转换方法来实现的，一般有4种方法：（1）机械式：当风速感应器旋转时，通过蜗杆带动蜗轮转动，再通过齿轮系统带动指针旋转，从刻度盘上直接读出风的行程，除以时间得到平均风速。（2）电接式：由风杯驱动的蜗杆，通过齿轮系统连接到一个偏心凸轮上，风杯旋转一定圈数，凸轮使相当于开关作用的两个接点闭合或打开，完成一次接触，表示一定的风程。（3）电机式：风速感应器驱动一个小型发电机中的转子，输出与风速感应器转速成正比的交变电流，输出到风速的指示系统。18

14（4）光电式：风速旋转轴上装有一个圆盘，盘上有等距的孔，孔上面有一个红外光源，正下方有一个光电半导体，风杯带动圆盘转动时，由于孔的不连续性，形成光脉冲信号，经过光电半导体器件接收放大后变成电脉冲信号输出，每一个脉冲信号表示一定的风行程。四、知识拓展--新能源行业发展前景（一）新能源行业定义与分类1．新能源行业定义新能源又称非常规能源，一般指在新技术基础上，可系统地开发利用的可再生能源，包含了传统能源之外的各种能源形式。一般地说，常规能源是指技术上比较成熟且已被大规模利用的能源，而新能源则通常是指尚未大规模利用、正在积极研究开发的能源。2．新能源行业主要分类新能源主要包括太阳能、核能、风能、海洋能、地热能、氢能等。此外，随着技术的进步和可持续发展观念的树立，过去一直被视作垃圾的工业与生活有机废弃物被重新认识，作为一种能源资源化利用的物质而受到深入的研究和开发利用，因此，废弃物的资源化利用也可看作是新能源技术的一种形式。如图1-17所示。图1-17废弃物的资源化利用图（1）太阳能◆太阳能光伏太阳能光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，由几乎全部以半导体物料（例如硅）制成的薄身固体光伏电池组成。由于没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗。简单的光伏电池可为手表及计算机提供能源，较复杂的光伏系统可为图1-18太阳能光伏利用18

15房屋照明，并为电网供电。光伏板组件可以制成不同形状，而组件又可连接，以产生更多电力。近年来，天台及建筑物表面均会使用光伏板组件，甚至被用作窗户、天窗或遮蔽装置的一部分，这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统。如图1-18所示。◆太阳热能现代的太阳热能科技将阳光聚合，并运用其能量产生热水、蒸汽和电力。除了运用适当的科技来收集太阳能外，建筑物亦可利用太阳的光和热能，方法是在设计时加入合适的装备，例如巨型的向南窗户或使用能吸收及慢慢释放太阳热力的建筑材料。（2）核能核聚变能释放出巨大的能量，但目前人们只能在氢弹爆炸的一瞬间实现非受控的人工核聚变。而要利用人工核聚变产生的巨大能量为人类服务，就必须使核聚变在人们的控制下进行，这就是受控核聚变。实现受控核聚变具有极其诱人的前景。不仅因为核聚变能放出巨大的能量，而且由于核聚变所需的原料——氢的同位素氘可以从海水中提取。经过计算，1升海水中提取出的氘进行核聚变放出的能量相当于100升汽油燃烧释放的能量。全世界的海水几乎是“取之不尽”的，因此受控核聚变的研究成功将使人类摆脱能源危机的困扰。如图1-19所示。然而，人们现在还不能进行受控核聚变，这主要是因为进行核聚变需要的条件非常苛刻。发生核聚变需要在1亿度的高温下才能进行，因此又叫热核反应。此外，还有许多难以想象的困难需要去克服。值得注意的是，尽管存在着许多困难，但人们经过不断的研究已取得了可喜的进展。科学家们设计了许多巧妙的方法，如用强大的磁场来约束反应，用强大的激光来加热原子等。可以预计，人们最终将掌握控制核聚变的方法，让核聚变为人类服务。图1-19核能发电示意图（3）风能风能是太阳辐射下流动所形成的。与其他能源相比，风能具有明显的优势，它蕴藏量大，是水能的10倍，分布广泛，永不枯竭，对交通不便、远离主干电网的岛屿及边远地区尤为重要。如图1-20所示。风力发电是当代人利用风能最常见的形式，自19世纪末，丹麦研制成风力发电机以来，人们认识到石油等能源会枯竭，才开始重视风能的发展。在过去的20多年里，风电发展不断超越其预期的发展速度，而且一直保持着世界增长最快的能源的地位。18

16图1-20风能发电（4）海洋能海洋能指蕴藏于海水中的各种可再生能源，包括潮汐能、波浪能、海流能、温差能、盐差能等。这些能源都具有可再生性和不污染环境等优点，是一项亟待开发利用的具有战略意义的新能源。波浪发电，据科学家推算，地球上波浪蕴藏的电能高达90万亿度。目前，海上导航浮标和灯塔已经用上了波浪发电机发出的电来照明，大型波浪发电机组也已问世。中国在也对波浪发电进行研究和试验，并制成了供航标灯使用的发电装置。潮汐发电，据世界动力会议估计，到2020年，全世界潮汐发电量将达到1000-3000亿千瓦。世界上最大的潮汐发电站是法国北部英吉利海峡上的朗斯河口电站，发电能力24万千瓦，已经工作了30多年。中国在浙江省建造了江厦潮汐电站，总容量达到3000千瓦。（5）地热能地球内部热源可来自重力分异、潮汐磨擦、化学反应和放射性元素衰变释放的能量等。放射性热能是地球主要热源。中国地热资源丰富，分布广泛，已有5500处地热点，地热田45个，地热资源总量约320万兆瓦。（6）氢能在众多新能源中，氢能以其重量轻、无污染、热值高、应用面广等独特优点脱颖而出，将逐渐成为21世纪的理想能源。氢能可以作飞机、汽车的燃料，也可以成为推动火箭的动力。（二）新能源行业发展前景2007年8月，国家发展改革委员会发布《可再生能源中长期发展规划》，该规划提出未来十五年中国可再生能源发展的总目标是：提高可再生能源在能源消费中的比重，解决偏远地区无电人口用电问题和农村生活燃料短缺问题，推行有机废弃物的能源化利用，推进可再生能源技术的产业化发展。具体包括：◆充分利用水电、沼气、太阳能热利用和地热能等技术成熟、经济性好的可再生能源，加快推进风力发电、生物质发电、太阳能发电的产业化发展，逐步提高优质清洁可再生能源在能源结构中的比例，力争到2010年使可再生能源消费量达到能源消费总量的10%，到2020年达到15%。◆18

17因地制宜利用可再生能源解决偏远地区无电人口的供电问题和农村生活燃料短缺问题，并使生态环境得到有效保护。按循环经济模式推行有机废弃物的能源化利用，基本消除有机废弃物造成的环境污染。◆积极推进可再生能源新技术的产业化发展，建立可再生能源技术创新体系，形成较完善的可再生能源产业体系。到2010年，基本实现以国内制造设备为主的装备能力。到2020年，形成以自有知识产权为主的国内可再生能源装备能力。根据《可再生能源中长期发展规划》，到2020年可再生能源在我国能源结构中的比例争取达到16%。“十二五”期间，我国可再生能源取得了迅猛的发展，再接下来的“十三五”期间，我国可再生能源的发展步伐还会加快发展，新能源行业投资机会将持续火爆。新能源产业重点发展新一代核能、太阳能热利用和光伏光热发电、风电技术装备、智能电网、生物质能。2012年8月6日，由国家能源局组织制定的《可再生能源发展“十二五”规划》（以下简称《规划》）和水电、风电、太阳能、生物质能四个专题规划正式发布。根据《规划》，“十二五”时期，我国可再生能源年利用量达到了4.78亿吨标准煤，其中商品化年利用量达到4亿吨标准煤，在能源消费中的比重达到9.5%以上。在“十二五”时期，我国水电装机容量达到2.9亿千瓦，累计并网运行风电1亿千瓦；太阳能发电达到2100万千瓦；太阳能热利用累计集热面积达到4亿平方米；生物质能利用量达到5000万吨标准煤。《规划》还提出用可再生能源供热和燃料利用显著替代石化能源。“十二五”期间，我国太阳能热利用规模不断扩大。生物质成型燃料和生物质热电联产、中低温地热直接利用和热泵技术应用以及沼气等各类生物质燃气都得到较大推广。根据《规划》，可再生能源供热和民用燃料总计年替代化石能源约1亿吨标准煤。在“十二五”期间，国家组织了100个新能源示范城市、200个绿色能源县，力争沼气、太阳能、生物质能气化等可再生能源在农村的入户率达到50%以上。在“十二五”期间，可再生能源的主要分为八大重点建设工程，包括大型水电基地建设、大型风电基地建设、海上风电建设、太阳能电站基地建设、生物质替代燃料、绿色能源示范县建设、新能源示范城市建设以及新能源微电网示范建设。规划重点支持的领域集中在风能、太阳能、核能、生物质能、水能、煤炭的清洁化利用、智能电网等七大方面。在具体实施路径、发展规模以及重大政策举措等方面，对新能源的开发利用和传统能源的升级变革进行了部署。根据《可再生能源中长期发展规划》预计，新兴能源产业规划实施以后，到2020年将大大减缓对煤炭需求的过度依赖，能使当年的二氧化硫排放减少约780万吨，当年的二氧化碳排放减少约12亿吨。规划期累计直接增加投资5万亿元，每年增加产值1.5万亿元，增加社会就业岗位1500万个。可以预见，中国新能源产业的发展前景将十分广阔。五、思考与练习1．什么是风速？单位是什么？2．风速都会随着那些参数如何变化？3．风能？风能可用什么来描述？具备怎样的风力资源才能进行风力发电？4．能资源丰富区的主要指标有哪些？最大风能区是指哪些区域？5．结合本省风资源状况，查找相关气象资料，试分析本省哪些区域适合建设风电场，并撰写风资源评估分析报告。18