風能資源特性分析

文/袁雅琳

隨著我國經濟的不斷發展，能源作為推動我國經濟發展的重要動力，對其進行研究具有一定的現實意義。風能作為可再生資源，在我國現代新能源開發中占據一定地位。其憑借著可再生、無污染、儲量大等特點，將會成為我國未來重要的能源形式。本文主要從風的形成、風的特性、風能特點三個方面對風能資源進行了分析。

分析背景

能源，世界經濟發展的命脈，也是21世紀之后世界必將面臨的危機。能源安全和環境保護確實已經成為每個人都關心的全球化問題。現代氣候逐漸惡劣，并且不可再生能源的燃料價格逐漸的上升，能源的過度開采，溫室氣體的排放，使得溫室氣體超標，人們的生存環境逐漸惡劣。

因此，在這樣的環境下，開發可再生清潔能源至關重要。風能作為一種可再生清潔能源，在我國能源發展中占據重要地位。對風能進行分析具有一定的現實意義。

風能資源分析

（1）風的形成。風的形成主要是由于大氣的水平運動，空氣運動主要是通過力的作用完成，作用于空氣的力包含以下幾種形式：重力、氣壓梯度力、地轉偏向力、離心力以及摩擦力。由于各個力的性質不同，對于大氣運動的影響效果不同。

氣壓梯度力：氣壓梯度是一個向量，其主要垂直于等壓面，由高壓指向低壓，具體數值等于等距離內的水平氣壓差。雖然水平氣壓梯度力較小，但卻是推動整個空氣運動的原動力，是空氣運動產生的直接原因。

地轉偏向力：空氣按照水平梯度力循環的過程中，會受到一定地轉偏向力的影響，由于緯度帶的地轉偏向力數值大小不等，則會改變空氣運動的風向與運動速率。其中離心力與地轉偏向力相同，只能夠改變空氣運動的方向與速度。

摩擦力：摩擦力在大氣運動當中可以被稱之為內摩擦力與外摩擦力。內摩擦力可以被稱之為湍流摩擦力，主要是由于兩個空氣層之間產生相互作用的力，并以湍流交換作用使得氣流速度發生變化；外摩擦力主要是由于空氣與下墊面進行運動時，下墊面對空氣的阻礙作用較小。海洋摩擦小，陸地摩擦大，所以海上風大，陸地風小。

（2）風的特。風具有隨機性，表現在其速度和方向隨時間在不斷地變化，能量和功率隨之也發生改變。這種變化可能是短期內的波動，也可能是晝夜變化，或者季節變化。

①風速隨時間的變化。風會隨著時間的變化而變化，其中主要包括季節的變化以及每日的變化。針對一天之中風的變化具有一定的規律性，也可以稱之為周期性。如陸地夜間風較弱，白天風較強；海洋白天風弱，夜間風強。晝夜速度改變的主要原因是海上和陸地表面之間的溫差。對于我國資源變化來說，普遍規律是白天的風較強，而晚上的風較弱。應當指出的是，晝夜之間的風速變化對風力發電是有利的，因為白天比夜晚需要更多的電量。由于地球的傾斜和橢圓形的軌道，導致季節風速變化的根本原因是一年中白天的變化。這種效應在兩極出更加的突出。由年風速－時間曲線可以得到年平均風速。用年平均風速的概念可以衡量一個地方的風資源狀態。但這一描述方法具有一定的局限性，僅用一個年平均風速很難有較高的準確度。②風隨高度的變化。風會隨著高度的變化而變化。基于空氣的運用角度來講，通常能夠將不同高度的大氣層分為三個區域：第一區域，距離地面水平較低的區域為底層，距地面距離2米以內；第二區域為下部摩擦層，該區域為距地面2米到100米的區域；第三區域為上部摩擦層，距離為100米到1000米之間。

（3）風能特點。風能作為一種自然可再生能源，其在大氣當中的存儲量較為驚人。如果能夠將風能資源進行有效的利用，能夠保證其利用價值高于水能。風能的主要特點有幾個方面：①蘊藏量豐富。在現代可利用再生資源當中，普遍認為水能應用以及蘊藏量驚人，但根據相關調查數據顯示大約有3.5×1012KW的風能量能夠被開發和利用。由此可見，風能的蘊藏量豐富，一旦成功開發，將會對我國能源具有重要的推動力。②能源可再生。風能具有可再生以及永不枯竭的特點，由于其是空氣之間的對流運動，主要由太陽能變異產生。只要太陽以及地球存在，風能就會源源不斷，持續提供持久的能源。③污染小。現代我國的使用能源主要為煤和石油，這種能源利用不可再生的同時，對自然環境會產生一定的影響。在進行使用的過程中會造成大氣污染以及破壞，危害人類健康。對于風能的可再生資源而言，不存在污染問題。并且其在進行開發與利用的過程中能夠有效的減少空氣當中的飄塵以及降塵。同時，風能在進行開發的過程中能夠有效的減少開發以及運輸問題，并且對建廠的需求較小，對空間地理的要求較低，只要存在風能資源就能夠建設風電站。有效的對風能進行及時的開發與利用。

上述進行說明的是風能的具體優點以及在能源當中的重要地位，下面針對影響風能開發利用的缺點：①低密度。風能的產生主要是由于空氣的流動，低密度是影響風能有效利用的重要因素。由于空氣的相對密度較小，造成風力的能量密度較小，與水力密度相比，只占其1/816。低密度的影響，導致在進行風能手機的過程中變得異常艱難。與水能相比，不能夠實現有效的發電。現代科技水平的提升，對于風能的利用進行了有效的改進，但風能發電的輸出功率也只能達到1350KW，不能夠將風能的全部能像有效應用，制約風能的使用。②隨機性。氣流的運動方向、軌跡、風速都是在實施變化的，并且隨著天氣、季節的不同出現嚴重的影響因素，并且主要的影響效果十分明顯。如果使用具體的風速檢測儀器進行檢測可以發現，風速在不斷的變化。這就導致在進行風能應用以及開發的過程中，不能夠及時把握風力，造成開發過程中的難度過大。由于電力不能夠大量存儲，使得風能的這種隨機性的弱點表現的尤為明顯。這種隨機性對電網的可靠性將造成不可忽視的負面影響。風速無時無刻不在發生著變化，并且在短時間內毫無規律可言，輸出的功率也必然是不穩定的，甚至會出現相當大的變化，這也就是導致風電的可靠性相當差，而且也對電能質量產生非常不好的影響。③地區差異。由于我國地大物博，國土面積廣闊，這就導致風能在不同的地形地區的表現形態不一，并且差異較大。有力的地形與不利的地形進行對比，之間的差異往往會擴大幾倍或者是幾十倍，因此，在進行實際選址的過程中需要重視地形的有效選擇，保證充分利用風能。

（4）垂直切變。風速受地面粗糙度的影響效果較大。陸地的植被、建筑物以及主要的地表設施影響著空氣在流動過程中的阻力。導致風力在地表的風速受到影響。隨著地表高度的增加，地表建筑物以及地表的阻礙作用表小，使得風的流動速度增加。這種風速隨高度增加而發生改變形成的風速變化曲線定義為風速輪廓線。

通常用于描述風速剖面線形狀的冪定律指數為風切變指數，是用來衡量風速隨高度變化的一個指標。在風電場應用中，風切變僅指風在垂直方向上的變化規律及特征。

風切變指數的計算公式為：

風切變指數對風力發電機的影響主要有兩個方面：①根據風切變指數選取最佳的輪轂高度。②如果風切變指數過大，那么，在葉片的整個掃風面上的風力載荷就非常不均衡，將影響到葉片和機艙的使用壽命和運行安全。

按一般規律，在平坦開闊地形測風塔高層的風切變指數小，低層所測的風切變指數大。當地形復雜是，如洼地或山坡，所測的風切變指數會出現相反結果。

（5）湍流。湍流的主要定義是指短時間內的風速波動，短時間在一般范圍內主要小于10分鐘。湍流產生的原因主要有兩個方面的內容：一個是當氣流流動時，由于地形差異造成的與地表的“摩擦”；另一個是由于空氣密度差異和氣溫變化的熱效應空氣氣團垂直運動。這兩種作用往往相互關聯。比如，當氣團經過山脈是就會被迫流向溫度較低的地區，這時氣團與周圍環境的熱平衡就被打破了。

湍流強度由地表的粗糙度和高度決定。然而，它也受地貌特征及大氣熱運動的影響。

當高度增加時，這些地表相互作用，所有過程的影響會減弱。在某一個高度以上，可以認為空氣流動不受地面的影響。這種空氣流動被稱為地轉風。在地處，地球表面的作用會體現出來，大氣的這一部分被稱為邊界層。