第二篇　风能太阳能资源研究

我国风能资源[1]

朱瑞兆　薛　桁

（中央气象局气象科学研究院）

能源是提供能量的物质资源，风能就是自然能源之一。据估计，地球上近地层风能总量约为1.3×1015W［1］。可以被利用的风能有1012W，约为可利用水力的10倍［2］。远在几千年前，人们就开始利用风力，古代中国、波斯、埃及等国风车的使用都有悠久的历史，在欧洲风力的利用也十分广泛，风力是当时人们生产、生活、航行的重要动力之一［3］。以后，风力的利用逐渐被其他动力所取代。随着人类能源消耗的增加，常规能源日益枯竭，风能利用再次为全世界各国所重视。目前，国外正积极研究大型风力发电，风能作为地球巨大的能量资源，将是常规能源的一种重要的替代或补充。

关于风能资源的研究，Justus等利用风速的Weibull分布计算了美国100kW和1MW风力发电机的年容量率［4］。Baker等对美国西北太平洋地区风能进行了分区［5］。本文统计分析了我国3～20m/s范围内各m/s的出现时数，并计算了风能密度，给出分布图，进而分析我国风能资源潜力。

一、风能密度的计算

1秒钟内流过垂直于风速截面积F（m2）的风能为

式中：W——风能（W）；

ρ——空气密度（kg/m3）；

V——风速（m/s）。

在风能计算中，ρ和V取值不同，其结果不同。在1秒钟内流过单位截面积上的风能，即当F=1，则有

我们称w为该时刻的风能密度（W/m2）。

一个地方风能潜力的多少，要视该地常年平均风能密度的大小，即

其中，为平均风能密度，V为任何时刻的风速，T为总的时间。

在知道风速V的概率分布p（V）后，平均风能密度还可根据下式求得

（一）风速的取值

从风能公式可以看出，风能与风速的立方成正比，因此必须准确地考虑风速的分布。风速分布与天气系统和地形等因素有关。通过样本可对风速分布进行估计，它的取值方法不同，其估计能量相差很大。

1.不同观测时次估计风能的误差。

我国气象观测规范规定的观测报表平均风速是指1日4次定时（02时，08时，14时，20时）的平均风速。但按1日4次观测和自记1日24次（每小时1次）统计的平均风速就有差异，根据计算得到经验公式：

其中，y为自记平均风速，x为定时4次平均风速，r为相关系数。这个误差虽不大，但利用4次观测资料跟利用24次观测资料计算出来的风能差别还是较大的。这种误差主要是统计本身的误差。

2.平均风速相同，其风能有差异。

平均风速即使相同，其风速概率分布型式p（V）并不一定相同，计算出的可利用风力小时数和风能有很大的差异，如表1所示。可以看出，≥3m/s风速在一年中出现的小时数，在平均风速基本相同的情况下，最大的可相差几百小时，占≥3m/s出现小时数的30%，两者相等的几乎没有，其能量相差就更为突出，有的可以相差1.5倍以上。从全国300余站资料的分析来看，情况大体相似。两站平均风速基本相同，其≥3m/s小时数和风能却不相同，若以相差5%为相同者，其站数还不到总站数的5%。故以平均风速估计一地的风能是不妥当的。必须按各等级风速［1，2，3，…，30，…m/s］出现的频率计算各地的风能。

（二）空气密度的影响

从风能公式还可以看出，ρ的大小直接关系到风能的多少，特别是在3000m以上，影响就更突出。从气象学可知，空气密度ρ是气压、气温和湿度的函数，其计算公式为

式中：P——气压（hPa）；

t——气温（℃）；

e——绝对湿度（hPa，即水汽压）。

经过计算我国300个站的年平均空气密度，并且为了摸清我国不同地区空气密度随高度的变化规律，还利用300个站计算出的结果得到如下的经验公式：

式中：z——海拔高度（m）。

2000m处的ρ大约为海平面的80%，4000m为其67%，所以密度的影响还是很大的，在风能计算中必须考虑。

（三）风能密度计算

风能密度计算，首先要考虑风速的分布。利用风速资料估计风速的年（月）概率分布，从而可得到不同地区各等级风速［1，2，3，…，30，…m/s］出现的累积时间。也可直接从风速资料统计各个站各等级风速出现的全年累积小时数（N1，N2，N3，…，Nn），由式（6）或式（7）求出各地空气密度，然后利用式（2）计算各级风速下的能量密度，再将各个等级风能之和除以总时数，即

即得到一地年（月）平均风能密度（W/m2）。

风力机是根据一个确定的风速来设计的，这个风速称为“设计风速”或“额定风速”。在这种风速下，风力机功率最为理想。但当风速大于设计风速时，由调速器或限速器限制其风轮转速不超过设计风速，但若大到某一极限风速时，风力机就有损坏的危险，必须停止运行。风力机还有个起动风速，大于起动风速，风力机才开始运转。因此，在统计风速资料时，必须考虑这两种因素。因为我国现在风力机机型尚未系列化，我们取≥3m/s为起动风速（现在我国大部分风力机所用的风速），20m/s为上限风速，我们将风速为3～20m/s的风力称为“有效风力”，计算的风能称为“有效风能”。本文所指风能资源均指有效风能。

二、我国风能资源分布

根据全国有效风能密度、有效风力出现时间百分率以及风速≥3m/s和风速≥6m/s的全年累积小时数（见图1～图4），可以看出我国风能资源的分布特点。

1.东南沿海及其岛屿为我国最大风力资源区。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在300W/m2以上，有效风力出现时间百分率为80%～90%，风速≥3m/s的全年累积小时数为7000～8000h，风速≥6m/s的全年累积小时数为4000h左右。但从这一地区向内陆则丘陵连绵，冬半年强大冷空气南下，很难长驱直下，夏半年台风在离海岸50km风速便减少到68%［6］。所以东南沿海仅在由海岸向内陆几十公里的地方有较大的风能，再向内陆风能锐减，在不到100km的地带，风能密度降至50W/m2以下，反而为全国最小区。但在沿海的岛屿上（如福建台山、平潭等，浙江南麂、大陈、嵊泗等）风能都很大。其中台山风能密度为534.4W/m2，有效风力出现时间百分率为90%，风速≥3m/s全年累积出现7905h。换言之，平均每天风速≥3m/s可有21h20min，是我国平地上有记录的风力资源最大的地方之一。

2.内蒙古和甘肃北部为次大风能区。这一带终年在西风带控制之下，且又是冷空气入侵首当其冲的地方，风能密度在200～300W/m2，有效风力出现时间百分率为70%左右，风速≥3m/s的全年累积时数在5000h以上，风速≥6m/s的全年累积时数在2000h以上，从北向南逐渐减少，但不像东南沿海梯度那样大。最大的虎勒盖尔地区，风速≥3m/s和风速≥6m/s的全年累积时数分别可达7659h和4095h。这一区虽较东南沿海岛屿上的风能密度小一些，但其分布的范围较大，是我国连成一片的风能最大地带。

3.黑龙江和吉林东部及辽东半岛沿海风能也较大，风能密度在200W/m2以上，风速≥3m/s的全年累积时数也在5000～7000h之间，风速≥6m/s的全年累积时数在3000h左右。

4.青藏高原北部、三北地区的北部和沿海风能较大区，这三个地区（除去前述范围），风能密度在150～200W/m2之间，风速≥3m/s全年有4000～5000h，风速≥6m/s可达30000h以上。青藏高原风速≥3m/s的全年累积时数可达6500h，但由于青藏高原海拔高，空气密度较小，所以风能密度相对较小，按式（7）计算，在4000m的空气密度大致为地面的67%。也就是说，同样是8m/s的风速，在平地为313.6W/m2，而在4000m只有209.9W/m2。所以，若仅按风速≥3m/s和风速≥6m/s出现小时数，青藏高原应属风能最大区，实际上这里的风能远较东南沿海岛屿为小。

从三北北部到沿海几乎连成一片，包围着我国大陆。大陆上风能能够利用区也基本上和这一区的界线相一致。

5.云贵川，甘肃、陕西南部，河南、湖南西部以及福建、广东、广西的山区以及塔里木盆地为我国最小风能区，有效风能密度在50W/m2以下，可利用风力仅20%左右，风速≥3m/s的全年累积时数在2000h以下，风速≥6m/s的全年累积时数在150h以下。在这一地区，尤以四川盆地和西双版纳地区风能最小，这里全年静风频率在60%以上，如绵阳67%，巴中60%，阿坝67%，恩施75%，德格63%，耿马孟定72%，景洪79%。风速≥3m/s的全年累积时数为300多小时，风速≥6m/s的全年累积时数为20多小时，所以这一地区除高山顶和峡谷等特殊地形外，风力潜能很低，无利用价值。

6.其余的广大地区为风能季节利用区。如有的在冬、春季可以利用，有的在夏秋可以利用等，这一地区风能密度在50～150W/m2之间，可利用风力30%～40%，风速≥3m/s的全年累积时数为2000～4000h，风速≥6m/s的全年累积时数为1000h左右。

三、风能随高度变化

以上所讨论的风能均是指离地面10m高处的风能，实际上风力机的高度不正好是10m，如美国MOD-1型风力机安装在塔架100m高度处，我国嵊泗安装的FD-13型风力机塔架12.9m。因此必须对轮毂高度风力进行修正。由于这一范围内空气密度变化极小，可以忽略不计，主要考虑风速随高度的改变，从我国北京、武汉、广州、南京等地近地层风的梯度观测结果看，与国外［7］相似，风速随高度基本按乘幂律分布，即

其中，vn、v1分别为zn、z1高度上的风速，α为参数（可称为幂指数），由4～5个以上层次观测而求得。根据我国武汉铁塔分析结果，α随风速大小、天气条件和大气稳定程度而异，其平均值为0.19，大风时α=0.16。我国在建筑工程上风荷载主要是考虑在大风情况下的α，其值为0.15。风机在大风情况下是停止运转的，所以还是取α=0.19较为合适。根据α为0.19和0.16计算得到的各高度风速订正系数如表2所示。

由表2可以看出，若α=0.19、风力机塔架高30m，则风速可比10m高度处提高23%，风能是10m高度处的1.87倍；若α=0.19、塔架为50m，风速将比10m高处提高36%，风能为10m高度处的2.5倍。可见适当选取塔架高度，对提高风能的捕获能力是有明显效果的。此外，从对近地层风结构的研究表明，越接近地表面，气流的紊流度越大，对风机机械强度要求也越高。因此，合理提高风机高度，对降低制造成本、安全运转也具有重要的意义。

四、小结

我国相当大的地区有着丰富的风能资源。在最大风能区（＞200W/m2，有效风力出现时间百分率＞50%），一台风轮直径为10m的风力发动机，据估计一年约可获得3万kW·h以上的电能，按法捷耶夫提供的公式［8］，1km2地区上能装置台风力发动机［D为风轮直径（m）］，风轮直径为10m的风力发动机能装置51座，每年能得到153万kW·h的电能。若装置风轮直径为2m的小型风机，一年每台也可得到1100kW·h电，特别对农户分散的农村地区能很好满足日常用电的需要。在其他地区，若很好地结合地形、高度等因素，合理选择风机，风能利用潜力也很可观。同时也要看到我国还有很多地区风能资源较贫乏，甚至无多大利用价值。为了合理开发我国风能资源，制定适合我国特点的风能开发政策是非常重要的。

参考文献

［1］Gustavson M R.Limits to Wind Power Utilization［J］.Science，1979，204：13-17.

［2］Von Arx W S.Energy：Natural limits and abundances［J］.Eos Transactions American Geophysical Union，1974，55（9）：828-832.

［3］Hewson E W.Generation of power from the wind［J］.Bulletin of the American Meteorological Society，1975，56（7）：660-675.

［4］Justus C G，Hargraves W R，Yalcin A.Nationwide Assessment of Potential Output from Wind-Powered Generators［J］.Journal of Applied Meteorology.1976，15（7）：673-678.

［5］Baker R W，Hewson E W，Butler N G，et al.Wind Power Potential in the Pacific Northwest［J］.Journal of Applied Meteorology，1978，17（12）：1814-1826.

［6］朱瑞兆.风压计算的研究［M］.科学出版社，1976.

［7］Davenport A G.The relationship of wind structure to wind loading［C］//Proc.of the Symp.on wind effects on building and structures［M］.London：Her Majersty's stationary office，1965.

［8］法捷耶夫.风力发动机及其在农业中的应用［M］.陈德华，朱嘉燊，朱其清，等译.北京：农业出版社，1962.

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[1]本文发表在《太阳能学报》，1981年第2期，收录在《风能、太阳能资源研究论文集》，气象出版社2008年版。