风能的气候评价[1]

朱瑞兆

（国家气象局气象科学研究院）

一、风能功率密度的评价

单位体积的空气所具有的风能（P），只能取决于空气密度（ρ）和风速（V）。运动着的物体的动能为

式中，m为空气质量。空气密度ρ由质量和它所占的体积来决定，即

ρ=m/体积

欲求出特定体积的空气动能，只需再乘以空气的体积，即在一定时间内，气流以速度V通过截面积（A）和时间（t）的乘积，

风的功率就是单位时间里经过A面积的风能数量。由式（3）风所具有的能量除以相应的时间t来计算，因此，风所具有的功率为

由式（4）可以看出有两种意义。

（一）风能与空气密度成正比

这就意味着在相同的风速时，高原或高山上所得到的风能比平地要少，这是因为高原上空气密度比平地小所致。我们根据全国三百余站资料计算，得出海拔高度与空气密度的指数公式：

式中，h为海拔高度，其相关系数为0.98。为了明显地表示海拔高度的影响，我们把不同高度代入式（5），并以风速为8m/s时计算，可以得到表1。由表1可以清楚地看出，空气密度对风能的影响还是很大的，在3000m处的风能功率密度是500m处的74%，若到4000m处时，仅为67%。但是空气密度对一个地点一定高度上来说，变化很小，通常可认为是一个常数，所以就一地的风能气候评价来说，也不是很重要的。

（二）风能与风速立方成正比

风能气候评价要认真处理风速资料，多10%的风速，则可多得30%的能量。风速差1倍，风能则相差8倍。因此风能评价时，最重要的是风的特征。

对于风能来说，风速评价包括两个内容：有效风能功率密度和可利用小时数。

有效风能功率密度与年平均风速的关系，是评价最易获得的信息。我们统计了全国500站年平均风速与有效风能功率密度的关系，如图1所示，图上的数据是按表2绘制的。由图1和表2可以看出，随着年平均风速的增大，年有效风能功率密度在增加，如年平均风速3m/s时，风速相差0.5m/s，有效风能功率密度相差为35W/m2。若年风速为6m/s，则可相差65.5W/m2。在评价某年风能是丰还是歉，只要知道了年平均风速就可以计算出风能增大或减少多少。

按表2中对应的有效风能功率密度乘以各种风速所占的面积（A）便可得出一省或全国风能总量，即

式中，乘以是因为风力机间距要有10倍风轮直径的面积。

可利用风速累积小时数，也可称为有效风能小时数。它也与年平均风速有密切关系，风速大，可利用的小时数就多。我国风力发电机系列型谱如表3所示。根据风力机的额定功率的增大，额定风速、起动风速、切断风速都在增大。

风力机一般在风速3.0m/s以上时才能起动，但到了风速20m/s以上时，风力机就要停机，所以一般地将3～20m/s的风速称为有效风速，由它计算出的风能密度称为有效风能功率密度，由它计算出的小时数称为有效风能利用（或可利用）小时数，风速在3m/s以下、20m/s以上的为无效风能。所以评价风能也只能以3～20m/s的风速小时数作为依据，我们根据全国600个站的风速自记资料，统计出年平均风速与可利用小时数的关系，由于资料太多，这里仅给出系列列线图，如图2所示。由图2可以看出，随着年平均风速的增大，可利用小时数在增加。如年平均风速为2m/s时，3～20m/s的风速小时数为2558，但年平均风速增大到8m/s时，可利用小时数达7900。同时还可以看出，随着可利用起动风速增大，可利用风速小时数在减少。如年平均风速5m/s时，风速3～20m/s的小时数为6500，但风速4～20m/s的小时数为5500，当风速为8～20m/s时，小时数仅为1450。

在风能的气候评价中只要知道当年的平均风速是增加还是减少，就可从图2中找出当年风能多利用还是少利用多少小时。

二、风力机发电量的评价

上述是理论的评估，但实际上当年少发电还是多发电，这才体现真正的经济效益。

我国目前有风力机8万多台，绝大多数集中在内蒙古。内蒙古风力发电机主要是微型机，大都在100W左右。就以内蒙古有7万台微型风力发电机计算，共计装机容量7000kW。若风力发电机的额定风速为7m/s，那么当年内蒙古各地风速大于7m/s的小时数，比往年多2h，则全内蒙古多发电14000kW·h；少5h，就比往年少发电35000kW·h。甘肃、青海等微小型风力发电机均有千台以上，都可作一年实际利用多少小时的评价。

除了微型风力发电机外，我国还有几个中大型风力田（风电场），如山东荣成安装丹麦的3台55kW风力发电机，平均每台年发电量为11万kW·h；山东崆峒岛上安装了一台60kW风力发电机；福建平潭安装了大型风力发电机5台，每台200kW；浙江大陈岛上安装了6台风力发电机，即2台20kW、3台55kW和1台3kW；嵊泗岛安装了5台22kW风力发电机；新疆达坂城安装了100kW和50kW各一台，1989年又安装了13台150kW风力发电机；广东南澳安装了3台55kW风力发电机等。在同样的管理水平下，这些风力发电机，每年发电的多少，取决于风能可利用小时的多少。将本省的风力机当年的发电量与风速可利用小时进行比较，就可以评价出风能的丰歉情况。根据各地的情况汇总就可得出当年全国的风能实际利用情况。

此外，风能的预报也是很重要的，若有长期预报，可以作为能源利用一年中战略安排。因为风能利用中最大困难是风的不稳定性，时有时无，我国江苏对风机有句“救穷不救急”之谚。也就是说，急需的时候没有风。所以能提供几小时到几天预报，也是很有用的，充分利用预报就很可能一次多获得几个小时的利用，也是可观的，所以风能评价也可以作典型的一次二次的评价。国外还开始“重合概率”方面的研究，所谓重合概率是指位于不同风系中的数个风力田（风电站）至少有一个产生风能的概率。这种研究采用了概率统计的方法，并充分利用了现有的气候资料。

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[1]本文发表在《山东气象》，1989年第5期，收录在《风能、太阳能资源研究论文集》，气象出版社2008年版。