1.1 風能及特點

1.1.1 風能的形成

風是空氣流動的現象。地球被一個數千米厚的空氣層包圍著，由于大氣中熱力和動力的空間不均勻性，形成了空氣相對于地球表面的運動。空氣有一定的質量，因此空氣的流動就具有一定的動能，這就是人類可以利用的風能。動能的物理描述為E＝mυ²，因此風能的大小與兩個重要指標緊密相關：由空氣密度決定的空氣質量以及風速。

大氣運動的能量來自太陽，風能是太陽能的一種轉化形式。由于地球上各緯度所接受的太陽輻射度強度不同，其溫度也會有所不同。赤道和低緯度地區，太陽高度角大，日照時間長，太陽輻射強度大，地面和大氣接收的熱量多、溫度較高；高緯度地區，太陽高度角小，日照時間短，地面和大氣接受的熱量少、溫度低。這種高緯度和低緯度之間的溫度差異，形成了氣壓梯度，在不均勻的壓力下，推動了大氣運動形成了風，風的方向從高壓吹向低壓。

除了氣壓梯度外，大氣運動還受到地轉偏向力、摩擦力和慣性離心力的影響。地轉偏向力，又稱為科里奧氏力，是地球自轉產生的力，這種力使北半球氣流向右偏轉，南半球氣流向左偏轉。摩擦力是地表面對氣流的拖拽力（地面摩擦力）或氣團之間的混亂運動產生的力（湍流摩擦力）。慣性離心力是使氣流方向發生變化的力。

1.1.2 風能的特點

了解風的形成，有助于我們科學地利用風能。風能通常具有如下特點：

（1）不穩定性。風的形成受時間、氣候、地理環境的影響，因此每一個時間點和空間點上，風的大小和方向都在變化。風能的這種不穩定性，使利用風能時有許多問題需要解決。

（2）從地球表面起，風速的大小隨著距離地面高度的升高而增大。

在空氣相對于地表的運動過程中，靠近地球表面的區域，由于受到地表植被、建筑物等地表摩擦阻力的影響，會使大氣流動受阻，風速降低。這就是風力發電機組的輪轂高度都安裝在地勢相對高的地方的原因，目前我國運行的單機容量3MW以下的兆瓦級風電機組的輪轂高度通常在65～90m。

通常將2km以上、遠離地面、不受地面摩擦力影響的大氣層稱為“自由大氣層”；將2km以內、靠近地區表面、受地表摩擦阻力影響的大氣層區域稱為“大氣邊界層”。從工程角度，通常將大氣邊界層可劃分為三個區域：距離地面2m以內區域稱為底層；距離2～100m的區域稱為底部摩擦層（也稱為常值通量層），該層內湍流黏性力為主導力，風速隨高度增長；100～2000m的區域稱為上部摩擦層（也稱為艾克曼層），科里奧氏力在該層中很重要，風向隨高度增加逐漸向右偏轉。底層和底部摩擦層又統稱為地面邊界層。

垂直于風向的平面內，風速隨高度的變化稱為風切變（風剪切）。在距地面高度100m范圍的地面邊界層內，計算風速隨高度變化規律的經驗公式很多，目前多數國家采用指數公式，即

式中——距地面高度為z處的平均風速，m/s

——高度為z₁處的平均風速，m/s

z、z₁——不同距地面高度；

α——風切變經驗指數，它取決于大氣穩定度和地面粗糙度，表1-1列出不同地面狀態下的風切變的經驗指數值。

（3）空氣密度隨海拔的升高而逐漸減小。當在海拔較高的地區規劃風電場時，盡管風速很高，但由于空氣質量小，風能并不一定大。

1.1.3 風功率密度

規劃建設風電場時，需要對當地風能資源做出評估。風能資源的豐富程度常用風功率密度表示。

風功率密度W是指空氣在單位時間（1s）內以速度υ流過單位面積（1m²）產生的動能。

由于風速是隨時間變化的，在風資源評估時，常用一段時間的平均值（平均風功率密度來描述。平均風功率密度可用直接計算法和概率計算法求出。

1.直接計算法

直接計算法求出平均風功率密度為

式中 t_i——在風速υ_i的持續時間；

n——時間分段數。

例如，將某地區一年每天24h逐時測得的風速，按一定間隔（比如間隔為1m/s）分成各風速等級，如υ₁＝3m/s、υ₂＝4m/s、…；然后根據各等級風速在該年出現的累計小時數t₁、t₂、…分別求出各風速下的風功率密度（t_i×ρ）；再將各等級風功率密度求和后除以總時數T，即

則求出該地區一年的平均風功率密度。

2.概率計算法

概率計算法是通過某種概率分布函數擬合風速υ頻率的分布，進而再計算得到平均風功率密度。

一般風速υ的概率分布函數可以采用威布爾公式來描述，即

式中 k——形狀參數，反映風速的分布情況，k值越大，說明風速分布越集中；

c——尺度參數，與平均風速相關，平均風速越大，c值越大。

c、k值可利用風速觀測數據，通過最小二乘法、方差法和最大值法等估計獲得。圖1-1給出了某地的實測風速的直方圖和平均風速概率分布曲線。

已知風速的概率分布曲線，可以用兩種方法計算平均風功率密度。一種方法是：利用平均風速概率分布曲線，先求出各等級風速υ_i出現的累計出現的時間t_i，各段風速υ_i該年出現的累計小時數按下式計算：t_i＝8760×（υ_i），其中8760的含義是1年有8760h；然后分別求出各風速下的風功率密度（t_i×ρυ_i³）；再將各等級風功率密度求和后除以總時數T，即

圖1-1 某地的直方圖和平均風速概率分布曲線

則求出該地區一年的平均風功率密度。

另一種方法是：利用平均風速概率分布曲線，確定了風速υ的概率分布函數的數學表達式后，再采用積分形式的公式方法計算平均風功率密度。

當風速υ在[υ_m，υ_n]范圍內變化，以風速υ的概率分布函數（取威布爾分布）為例，采用積分法計算出平均風功率密度：

風功率密度受風速、風速分布和空氣密度的影響，是風場風能資源的綜合指標，風功率密度等級見表1-2。

1.1.4 平均風向

風吹來的方向，稱為風向。風向用角度或方位描述，取正北方向為基準（0°），按順時針方向確定風向角度。如：東風對應的風向角度為90°，南風的風向角度為180°，西風的風向角度為270°，北風的風向角度為360°。圖1-2給出了常用的風向方位圖，即把圓周360°分成16等分，16個方位的中心如圖1-2所示，每個方位的范圍是22.5°。

風向的頻率是指在一定時間內，各種風向出現的次數占所有觀察次數的百分比。某一風向在一年或一個月中出現的頻率常用風向玫瑰圖表示。風向玫瑰圖是根據風向在各方位上出現的頻率值，以相應的比例長度標出，然后把這些點連接起來，繪制的形狀宛如玫瑰花朵的概率分布圖，如圖1-3（a）所示；也可以用風向在16個方位上出現的頻率表示，如圖1-3（b）所示。圖1-3中各個圓的半徑代表一定的頻率值。

圖1-2 風向方位圖

圖1-3 風向玫瑰圖