1.1 风能及特点

1.1.1 风能的形成

风是空气流动的现象。地球被一个数千米厚的空气层包围着，由于大气中热力和动力的空间不均匀性，形成了空气相对于地球表面的运动。空气有一定的质量，因此空气的流动就具有一定的动能，这就是人类可以利用的风能。动能的物理描述为E＝mυ²，因此风能的大小与两个重要指标紧密相关：由空气密度决定的空气质量以及风速。

大气运动的能量来自太阳，风能是太阳能的一种转化形式。由于地球上各纬度所接受的太阳辐射度强度不同，其温度也会有所不同。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，地面和大气接收的热量多、温度较高；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。这种高纬度和低纬度之间的温度差异，形成了气压梯度，在不均匀的压力下，推动了大气运动形成了风，风的方向从高压吹向低压。

除了气压梯度外，大气运动还受到地转偏向力、摩擦力和惯性离心力的影响。地转偏向力，又称为科里奥氏力，是地球自转产生的力，这种力使北半球气流向右偏转，南半球气流向左偏转。摩擦力是地表面对气流的拖拽力（地面摩擦力）或气团之间的混乱运动产生的力（湍流摩擦力）。惯性离心力是使气流方向发生变化的力。

1.1.2 风能的特点

了解风的形成，有助于我们科学地利用风能。风能通常具有如下特点：

（1）不稳定性。风的形成受时间、气候、地理环境的影响，因此每一个时间点和空间点上，风的大小和方向都在变化。风能的这种不稳定性，使利用风能时有许多问题需要解决。

（2）从地球表面起，风速的大小随着距离地面高度的升高而增大。

在空气相对于地表的运动过程中，靠近地球表面的区域，由于受到地表植被、建筑物等地表摩擦阻力的影响，会使大气流动受阻，风速降低。这就是风力发电机组的轮毂高度都安装在地势相对高的地方的原因，目前我国运行的单机容量3MW以下的兆瓦级风电机组的轮毂高度通常在65～90m。

通常将2km以上、远离地面、不受地面摩擦力影响的大气层称为“自由大气层”；将2km以内、靠近地区表面、受地表摩擦阻力影响的大气层区域称为“大气边界层”。从工程角度，通常将大气边界层可划分为三个区域：距离地面2m以内区域称为底层；距离2～100m的区域称为底部摩擦层（也称为常值通量层），该层内湍流黏性力为主导力，风速随高度增长；100～2000m的区域称为上部摩擦层（也称为艾克曼层），科里奥氏力在该层中很重要，风向随高度增加逐渐向右偏转。底层和底部摩擦层又统称为地面边界层。

垂直于风向的平面内，风速随高度的变化称为风切变（风剪切）。在距地面高度100m范围的地面边界层内，计算风速随高度变化规律的经验公式很多，目前多数国家采用指数公式，即

式中——距地面高度为z处的平均风速，m/s

——高度为z₁处的平均风速，m/s

z、z₁——不同距地面高度；

α——风切变经验指数，它取决于大气稳定度和地面粗糙度，表1-1列出不同地面状态下的风切变的经验指数值。

（3）空气密度随海拔的升高而逐渐减小。当在海拔较高的地区规划风电场时，尽管风速很高，但由于空气质量小，风能并不一定大。

1.1.3 风功率密度

规划建设风电场时，需要对当地风能资源做出评估。风能资源的丰富程度常用风功率密度表示。

风功率密度W是指空气在单位时间（1s）内以速度υ流过单位面积（1m²）产生的动能。

由于风速是随时间变化的，在风资源评估时，常用一段时间的平均值（平均风功率密度来描述。平均风功率密度可用直接计算法和概率计算法求出。

1.直接计算法

直接计算法求出平均风功率密度为

式中 t_i——在风速υ_i的持续时间；

n——时间分段数。

例如，将某地区一年每天24h逐时测得的风速，按一定间隔（比如间隔为1m/s）分成各风速等级，如υ₁＝3m/s、υ₂＝4m/s、…；然后根据各等级风速在该年出现的累计小时数t₁、t₂、…分别求出各风速下的风功率密度（t_i×ρ）；再将各等级风功率密度求和后除以总时数T，即

则求出该地区一年的平均风功率密度。

2.概率计算法

概率计算法是通过某种概率分布函数拟合风速υ频率的分布，进而再计算得到平均风功率密度。

一般风速υ的概率分布函数可以采用威布尔公式来描述，即

式中 k——形状参数，反映风速的分布情况，k值越大，说明风速分布越集中；

c——尺度参数，与平均风速相关，平均风速越大，c值越大。

c、k值可利用风速观测数据，通过最小二乘法、方差法和最大值法等估计获得。图1-1给出了某地的实测风速的直方图和平均风速概率分布曲线。

已知风速的概率分布曲线，可以用两种方法计算平均风功率密度。一种方法是：利用平均风速概率分布曲线，先求出各等级风速υ_i出现的累计出现的时间t_i，各段风速υ_i该年出现的累计小时数按下式计算：t_i＝8760×（υ_i），其中8760的含义是1年有8760h；然后分别求出各风速下的风功率密度（t_i×ρυ_i³）；再将各等级风功率密度求和后除以总时数T，即

图1-1 某地的直方图和平均风速概率分布曲线

则求出该地区一年的平均风功率密度。

另一种方法是：利用平均风速概率分布曲线，确定了风速υ的概率分布函数的数学表达式后，再采用积分形式的公式方法计算平均风功率密度。

当风速υ在[υ_m，υ_n]范围内变化，以风速υ的概率分布函数（取威布尔分布）为例，采用积分法计算出平均风功率密度：

风功率密度受风速、风速分布和空气密度的影响，是风场风能资源的综合指标，风功率密度等级见表1-2。

1.1.4 平均风向

风吹来的方向，称为风向。风向用角度或方位描述，取正北方向为基准（0°），按顺时针方向确定风向角度。如：东风对应的风向角度为90°，南风的风向角度为180°，西风的风向角度为270°，北风的风向角度为360°。图1-2给出了常用的风向方位图，即把圆周360°分成16等分，16个方位的中心如图1-2所示，每个方位的范围是22.5°。

风向的频率是指在一定时间内，各种风向出现的次数占所有观察次数的百分比。某一风向在一年或一个月中出现的频率常用风向玫瑰图表示。风向玫瑰图是根据风向在各方位上出现的频率值，以相应的比例长度标出，然后把这些点连接起来，绘制的形状宛如玫瑰花朵的概率分布图，如图1-3（a）所示；也可以用风向在16个方位上出现的频率表示，如图1-3（b）所示。图1-3中各个圆的半径代表一定的频率值。

图1-2 风向方位图

图1-3 风向玫瑰图