风能资源特性分析

文/袁雅琳

随着我国经济的不断发展，能源作为推动我国经济发展的重要动力，对其进行研究具有一定的现实意义。风能作为可再生资源，在我国现代新能源开发中占据一定地位。其凭借着可再生、无污染、储量大等特点，将会成为我国未来重要的能源形式。本文主要从风的形成、风的特性、风能特点三个方面对风能资源进行了分析。

分析背景

能源，世界经济发展的命脉，也是21世纪之后世界必将面临的危机。能源安全和环境保护确实已经成为每个人都关心的全球化问题。现代气候逐渐恶劣，并且不可再生能源的燃料价格逐渐的上升，能源的过度开采，温室气体的排放，使得温室气体超标，人们的生存环境逐渐恶劣。

因此，在这样的环境下，开发可再生清洁能源至关重要。风能作为一种可再生清洁能源，在我国能源发展中占据重要地位。对风能进行分析具有一定的现实意义。

风能资源分析

（1）风的形成。风的形成主要是由于大气的水平运动，空气运动主要是通过力的作用完成，作用于空气的力包含以下几种形式：重力、气压梯度力、地转偏向力、离心力以及摩擦力。由于各个力的性质不同，对于大气运动的影响效果不同。

气压梯度力：气压梯度是一个向量，其主要垂直于等压面，由高压指向低压，具体数值等于等距离内的水平气压差。虽然水平气压梯度力较小，但却是推动整个空气运动的原动力，是空气运动产生的直接原因。

地转偏向力：空气按照水平梯度力循环的过程中，会受到一定地转偏向力的影响，由于纬度带的地转偏向力数值大小不等，则会改变空气运动的风向与运动速率。其中离心力与地转偏向力相同，只能够改变空气运动的方向与速度。

摩擦力：摩擦力在大气运动当中可以被称之为内摩擦力与外摩擦力。内摩擦力可以被称之为湍流摩擦力，主要是由于两个空气层之间产生相互作用的力，并以湍流交换作用使得气流速度发生变化；外摩擦力主要是由于空气与下垫面进行运动时，下垫面对空气的阻碍作用较小。海洋摩擦小，陆地摩擦大，所以海上风大，陆地风小。

（2）风的特。风具有随机性，表现在其速度和方向随时间在不断地变化，能量和功率随之也发生改变。这种变化可能是短期内的波动，也可能是昼夜变化，或者季节变化。

①风速随时间的变化。风会随着时间的变化而变化，其中主要包括季节的变化以及每日的变化。针对一天之中风的变化具有一定的规律性，也可以称之为周期性。如陆地夜间风较弱，白天风较强；海洋白天风弱，夜间风强。昼夜速度改变的主要原因是海上和陆地表面之间的温差。对于我国资源变化来说，普遍规律是白天的风较强，而晚上的风较弱。应当指出的是，昼夜之间的风速变化对风力发电是有利的，因为白天比夜晚需要更多的电量。由于地球的倾斜和椭圆形的轨道，导致季节风速变化的根本原因是一年中白天的变化。这种效应在两极出更加的突出。由年风速－时间曲线可以得到年平均风速。用年平均风速的概念可以衡量一个地方的风资源状态。但这一描述方法具有一定的局限性，仅用一个年平均风速很难有较高的准确度。②风随高度的变化。风会随着高度的变化而变化。基于空气的运用角度来讲，通常能够将不同高度的大气层分为三个区域：第一区域，距离地面水平较低的区域为底层，距地面距离2米以内；第二区域为下部摩擦层，该区域为距地面2米到100米的区域；第三区域为上部摩擦层，距离为100米到1000米之间。

（3）风能特点。风能作为一种自然可再生能源，其在大气当中的存储量较为惊人。如果能够将风能资源进行有效的利用，能够保证其利用价值高于水能。风能的主要特点有几个方面：①蕴藏量丰富。在现代可利用再生资源当中，普遍认为水能应用以及蕴藏量惊人，但根据相关调查数据显示大约有3.5×1012KW的风能量能够被开发和利用。由此可见，风能的蕴藏量丰富，一旦成功开发，将会对我国能源具有重要的推动力。②能源可再生。风能具有可再生以及永不枯竭的特点，由于其是空气之间的对流运动，主要由太阳能变异产生。只要太阳以及地球存在，风能就会源源不断，持续提供持久的能源。③污染小。现代我国的使用能源主要为煤和石油，这种能源利用不可再生的同时，对自然环境会产生一定的影响。在进行使用的过程中会造成大气污染以及破坏，危害人类健康。对于风能的可再生资源而言，不存在污染问题。并且其在进行开发与利用的过程中能够有效的减少空气当中的飘尘以及降尘。同时，风能在进行开发的过程中能够有效的减少开发以及运输问题，并且对建厂的需求较小，对空间地理的要求较低，只要存在风能资源就能够建设风电站。有效的对风能进行及时的开发与利用。

上述进行说明的是风能的具体优点以及在能源当中的重要地位，下面针对影响风能开发利用的缺点：①低密度。风能的产生主要是由于空气的流动，低密度是影响风能有效利用的重要因素。由于空气的相对密度较小，造成风力的能量密度较小，与水力密度相比，只占其1/816。低密度的影响，导致在进行风能手机的过程中变得异常艰难。与水能相比，不能够实现有效的发电。现代科技水平的提升，对于风能的利用进行了有效的改进，但风能发电的输出功率也只能达到1350KW，不能够将风能的全部能像有效应用，制约风能的使用。②随机性。气流的运动方向、轨迹、风速都是在实施变化的，并且随着天气、季节的不同出现严重的影响因素，并且主要的影响效果十分明显。如果使用具体的风速检测仪器进行检测可以发现，风速在不断的变化。这就导致在进行风能应用以及开发的过程中，不能够及时把握风力，造成开发过程中的难度过大。由于电力不能够大量存储，使得风能的这种随机性的弱点表现的尤为明显。这种随机性对电网的可靠性将造成不可忽视的负面影响。风速无时无刻不在发生着变化，并且在短时间内毫无规律可言，输出的功率也必然是不稳定的，甚至会出现相当大的变化，这也就是导致风电的可靠性相当差，而且也对电能质量产生非常不好的影响。③地区差异。由于我国地大物博，国土面积广阔，这就导致风能在不同的地形地区的表现形态不一，并且差异较大。有力的地形与不利的地形进行对比，之间的差异往往会扩大几倍或者是几十倍，因此，在进行实际选址的过程中需要重视地形的有效选择，保证充分利用风能。

（4）垂直切变。风速受地面粗糙度的影响效果较大。陆地的植被、建筑物以及主要的地表设施影响着空气在流动过程中的阻力。导致风力在地表的风速受到影响。随着地表高度的增加，地表建筑物以及地表的阻碍作用表小，使得风的流动速度增加。这种风速随高度增加而发生改变形成的风速变化曲线定义为风速轮廓线。

通常用于描述风速剖面线形状的幂定律指数为风切变指数，是用来衡量风速随高度变化的一个指标。在风电场应用中，风切变仅指风在垂直方向上的变化规律及特征。

风切变指数的计算公式为：

风切变指数对风力发电机的影响主要有两个方面：①根据风切变指数选取最佳的轮毂高度。②如果风切变指数过大，那么，在叶片的整个扫风面上的风力载荷就非常不均衡，将影响到叶片和机舱的使用寿命和运行安全。

按一般规律，在平坦开阔地形测风塔高层的风切变指数小，低层所测的风切变指数大。当地形复杂是，如洼地或山坡，所测的风切变指数会出现相反结果。

（5）湍流。湍流的主要定义是指短时间内的风速波动，短时间在一般范围内主要小于10分钟。湍流产生的原因主要有两个方面的内容：一个是当气流流动时，由于地形差异造成的与地表的“摩擦”；另一个是由于空气密度差异和气温变化的热效应空气气团垂直运动。这两种作用往往相互关联。比如，当气团经过山脉是就会被迫流向温度较低的地区，这时气团与周围环境的热平衡就被打破了。

湍流强度由地表的粗糙度和高度决定。然而，它也受地貌特征及大气热运动的影响。

当高度增加时，这些地表相互作用，所有过程的影响会减弱。在某一个高度以上，可以认为空气流动不受地面的影响。这种空气流动被称为地转风。在地处，地球表面的作用会体现出来，大气的这一部分被称为边界层。