2.1.2 風能資源的計算及其分布

在了解了地球上風的形成和風帶的分布規律之后，將進一步估計某一地區以及更大范圍內風能資源的潛力。這是風能利用的基礎，也是最重要的工作。因為任何風能利用裝置，從設計、制造，到安裝使用以及使用效果，都必須考慮風能資源狀況。

如前所述，地球上風的形成主要是由于太陽輻射造成地球各部分受熱的不均勻，因此形成了大氣環流以及各種局地環流。除了這些有規則的運動形式之外，自然界的大氣運動還有復雜而無規則的亂流運動。因此，這就給對風能資源潛力的估計、風電場的選址帶來了很大的困難，但是在大的天氣氣候背景和有利的地形條件下仍有很強的規律可循。

1．中國風能資源總儲量的估計

風能利用究竟有多大的發展前景，就需要對它的總儲量有一個科學的估計。這樣在制定今后可以發展的各種能源比例上就可以進行更合理的配置，充分發揮其效益。

對全球風能儲量的估計早在1948年曾由普特南姆（Putnam）進行了估算，他認為大氣總能量約為1014MW，這個數量得到世界氣象組織的認可，并在1954年世界氣象組織在它出版的技術報告第4期《來自于風的能量》專集中進一步假定上述數量的千萬分之一是可為人們所利用的，即有107MW為可利用的風能。這就是相當于10000個每座發電量為100萬kW的利用燃料發電的發電廠的發電量。這個數量相當于當今全世界能源的總需求量。可見，它是一個十分巨大的潛在能源庫。然而馮阿爾克斯（W.S.Von Arx）在1974年認為上述的量過大，這個量只是一個貯藏量，對于可再生能源來說，必須跟太陽能的流入量對它的補充相平衡，其補充率較它小時，它將會衰竭，因此人們關心的是可利用的風的動能。他認為地球上可以利用的風能為106MW，即使如此，可利用風能的數量仍舊是地球上可利用的水力的10倍。因此在可再生能源中，風能是一種非常可觀的，有前途的能源。

古斯塔夫遜在1979年從另一個角度推算了風能利用的極限。他根據風能從根本上說是來源于太陽能這一理論，認為可以通過估計到達地球表面的太陽輻射流有多少能夠轉變為風能，來得知有多少可利用的風能。根據他的推算，到達地球表面的太陽輻射流是1.8 ×1017W，經折算后也就是350W/m2，其中轉變為風的轉換率η=0.02，可以獲得的風能為3.6×1015W，即7W/m2。在整個大氣層中邊界層占有35%，也就是邊界層中能獲得的風能為1.3×1015W，即2.5W/m2。作為一種穩妥的估計，在近地面層中的風能提取極限是它的1/10，即0.25W/m2，全球的總量就是1.3×1014W。古斯塔夫遜根據埃爾撒西爾（Ellsaeseer）所作的全球不同高度上大氣動能耗散率的圖，認為美國本土相當接近全球耗散率，因此按美國8×1012m2面積計算了美國在邊界層范圍內風能獲得量為2×1013W，而可以被提取利用的量是2×1012W，這個數量是目前美國發電總裝機容量7×1011W的3倍。

根據全國年平均風能功率密度分布圖，利用每平方米25W、50W、100W、200W等各等值線區間的面積乘以各等級風能功率密度，然后求其各區間之和，可計算出全國10m高度處風能儲量為322.6×1010W，即32.26億kW，這個儲量稱作理論可開發量，要考慮風力機間的湍流影響，一般取風力機間距10倍葉輪直徑，因此按上述總量的1/10估計，并考慮風力機葉片的實際掃掠面積（對于1m直徑葉輪的面積為0.52×π=0.785m2），因此，再乘以掃掠面積系數0.785，即為實際可開發量。由此，便可得到中國風能實際可開發量為2.53×1011W，即2.53億kW。這個值不包括海面上的風能資源量。同時，僅是10m高度層上的風能資源量，而非整層大氣或整個近地層內的風能量。因此，本估算與阿爾克斯、古斯塔夫遜等人的估算值不屬同一概念，不能直接與之比較。我國東海和南海開發利用的風能資源量為7.5億kW。

2．風能的計算

風能的利用主要就是將它的動能轉化為其他形式的能，因此計算風能的大小也就是計算氣流所具有的動能。

在單位時間內流過垂直于風速截面積A（m2）的風能，即風功率為

式中：為風能，W（即kg·m2/s3）; ρ為空氣密度，kg/m3; v為風速，m/s。

式（2-3）是常用的風功率公式，而在風力工程上，則又習慣稱之為風能公式。

由式（2-3），可以看出，風能大小與氣流通過的面積、空氣密度和氣流密度的立方成正比。因此，在風能計算中，最重要的因素是風速，風速取值準確與否對風能的估計有決定性作用。如風速大1倍，風能可達8倍。

為了衡量一個地方風能的大小，評價一個地區的風能潛力，風能密度是最方便和有價值的量。風能密度是氣流在單位時間內垂直通過單位截面積的風能。將式（2-3）除以相應的面積A，當A=1，便得到風功率密度的公式，也稱風能密度公式，即

由于風速是一個隨機性很大的量，必須通過一定長度的觀測來了解它的平均狀況。因此在一段時間長度內的平均風能密度，可以將上式對時間積分后平均。

當知道了在T時間長度內風速v的概率分布P（v）后，平均風能密度便可計算出來。

風速分布P（v）在研究了風速的統計特性后，可以用一定的概率分布形式來擬合，這樣就大大簡化了計算的手續。

由于風力機需要根據一個確定的風速來確定風力機的額定功率，這個風速稱為額定風速。在這種風速下，風力機功率達到最大。風力工程中，把風力機開始運行做功時的這個風速稱為啟動風速或切入風速。大到某一極限風速時，風力機就有損壞的危險，必須停止運行，這一風速稱為停機風速或切出風速。因此，在統計風速資料計算風能潛力時，必須考慮這兩種因素。通常將切入風速到切出風速之間的風能稱為有效風能。因此還必須引入有效風能密度這一概念，它是有效風能范圍內的風能平均密度。

3．風能資源分布

風能資源潛力的多少，是風能利用的關鍵。利用上述方法計算出的全國有效風能功率密度和可利用小時數，代表了風能資源豐欠的指標值。將這兩張圖綜合歸納分析，可以看出如下幾個特點：

（1）大氣環流對風能分布的影響。東南沿海及東海、南海諸島，因受臺風的影響，最大年平均風速在5m/s以上。大陳島臺山可達8m/s以上，風能也最大。東南海沿岸有效風能密度≥200W/m2，其等值線平行于海岸線，有效風能出現時間百分率可達80%～90%。風速≥3m/s的風全年出現累積小時數為7000～8000h；風速≥6m/s的風有4000h左右。島嶼上的有效風能密度為200～500W/m2，風能可以集中利用。福建的臺山、東山、平潭、三沙，臺灣的澎湖灣，浙江的南麂山、大陳、嵊泗等島，有效風能密度都在500W/m2左右，風速≥3m/s的風積累為800h，換言之，平均每天可以有21h以上的風速≥3m/s。但在一些大島，如臺灣和海南，又具有獨特的風能分布特點。臺灣風能南北兩端大，中間小；海南西部大于東部。

內蒙古和甘肅北部地區，高空終年在西風帶的控制下。冬半年地面在內蒙古高原東南緣，冷空氣南下，因此，總有5～6級以上的風速出現在春夏和夏秋之交。氣旋活動頻繁，當每一氣旋過境時，風速也較大。這一地區年平均風速在4m/s以上，寶音圖可達6m/s。有效風能密度為200～300W/m2，風速≥3m/s的風全年積累小時數在5000h以上，風速≥6m/s的風在2000h以上。其規律從北向南遞減。其分布范圍較大，從面積來看，是中國風能連成一片的最大地帶。

云、貴、川、甘南、陜西、豫西、鄂西和湘西風能較小。這一地區因受西藏高原的影響，冬半年高空在西風帶的死水區，冷空氣沿東亞大槽南下很少影響這里。下半年海上來的天氣系統也很難到這里，所以風速較弱，年平均風速約在2.0m/s以上，有效風能密度在500W/m2以下，有效風力出現時間僅20%左右。風速≥3m/s的風全年出現累積小時數在2000h以下，風速≥6m/s的風在150h以下。在四川盆地和西雙版納最小，年平均風速小于1m/s。這里全年靜風頻率在60%以上，如綿陽為67%，巴中為60%，阿壩為67%，恩施為75%，德格為63%，耿馬孟定為72%，景浩為79%，有效風能密度僅30W/m2左右。風速≥3m/s的風全年出現累積小時數僅3000h以上，風速≥6m/s的風僅20多h，換句話說，這里平均每18d以上才有1次10min的風速≥6m/s的風。風能是沒有利用價值的。

（2）海陸和水體對風能分布的影響。中國沿海風能都比內陸大，湖泊都比周圍的湖濱大。這是由于氣流流經海面或湖面摩擦力較少，風速較大。由沿海向內陸或由湖面向湖濱，動能很快消耗，風速急劇減小。故有效風能密度，風速≥3m/s和風速≥6m/s的風的全年積累小時的等值線不但不平行于海岸線和湖岸線，而且數值相差很大。福建海濱是中國風能分布豐富地帶，而距海50km處，風能反變為貧乏地帶。山東榮成和文登兩地相差不到40km，而榮成有效風能密度為240W/m2，文登為141W/m2，相差59%。臺風風速隨著登陸的距離削減情況的統計結果如圖2-11所示，若臺風登陸時在海岸上的地形影響風速，可分山脈、海拔高度和中小地形等幾個方面。

（3）地形對風能分布的影響。

1）山脈對風能的影響。氣流在運行中遇到地形阻礙的影響，不但會改變大形勢下的風速，還會改變方向。其變化的特點與地形形狀有密切關系。一般范圍較大的地形，對氣流有屏障的作用，使氣流出現爬繞運動。所以，在天山、祁連山、秦嶺、大小興安嶺、陰山、太行山、南嶺和武夷山等的風能密度線和可利用小時數曲線大都平行于這些山脈。特別明顯的是東南沿海的幾條東北—西南走向的山脈，如武夷山、戴云山、鷲峰山、括蒼山等。所謂華夏式山脈，山的迎風面風能是豐富的，風能密度為200W/m2，風速≥3m/s的風出現的小時數約為7000～8000h。而在山區及其背風面風能密度在50W/m2以下，風速≥3m/s的風出現的小時數約為1000～2000h，風能是不能利用的。四川盆地和塔里木盆地由于天山和秦嶺山脈的阻擋為風能不能利用區。雅魯藏布江河谷，也是由于喜馬拉雅山脈和岡底斯山的屏障，風能很小，不值得利用。

2）海拔高度對風能的影響。由于地面摩擦消耗運動氣流的能量，在山地風速是隨著海拔高度增加而增加的。見表2-3，對高山與山麓年平均風速對比，每上升100m，風速約增加0.11～0.34m/s。

事實上，在復雜山地，很難分清地形和海拔高度的影響，兩者往往交織在一起，如北京與八達嶺風力發電試驗站同時觀測的平均風速分別為2.8m/s和5.8m/s，相差3.0m/s。后者風大，一是由于它位于燕山山脈的一個南北向的低地；二是由于它海拔比北京高500多米，是兩者同時作用的結果。

青藏高原海拔在4000m以上，所以這里的風速比周圍大，但其有效風能密度卻較小，在150W/m2左右。這是由于青藏高原海拔高，但空氣密度較小，因此風能較小，如在4000m的空氣密度大致為地面的67%。也就是，同樣是8m/s的風速，在平地海拔500m以下為313.6W/m2，而在4000m只有209.9W/m2。

3）中小地形的影響。避風地形風速較小，狹管地形風速增大。明顯的狹管效應地區如新疆的阿拉山口、達坂城、甘肅的安西、云南的下關等，這些地方風速都明顯的增大。

即使在平原上的河谷，如松花江、汾河、黃河和長江等河谷，風能比較周圍地區大。

海峽也是一種狹管地形，與盛行風向一致時，風速較大，如臺灣海峽中的澎湖列島，年平均風速為6.5m/s，馬祖為5.9m/s，平潭為8.7m/s，南澳為8m/s，又如渤海海峽的長島，年平均風速為5.9m/s等。

局地風對風能的影響是不可低估的。在一個小山丘前，氣流受阻，強迫抬升，所以在山頂流線密集，風速加強。山的背風面，因為流線輻射，風速減小。有時氣流流過一個障礙，如小山包等，其產生的影響在下方5～10km的范圍。有些低層風是由于地面粗糙度的變化形成的。

4．風能區劃

劃分風能區劃的目的，是為了了解各地風能資源的差異，以便合理地開發利用。

（1）區劃標準。風能分布具有明顯的地域性的規律，這種規律反映了大型天氣系統的活動和地形作用的綜合影響。

第一級區劃選用能反映風能資源多寡的指標，即利用年有效風能密度和年風速≥3m/s風的年積累小時數的多少將中國全國分為4個區，見表2-4。

第二級區劃指標，選用一年四季中各季風能大小和有效風速出現的小時數。

第三級區劃指標，采用風力機安全風速，即抗大風的能力，一般取30年一遇。

根據這三種指標，將全國分為4個大區，30個小區。

一般，僅粗略地了解風能區劃的大的分布趨勢。所以，按一級指標就能滿足。

（2）中國風能分區及各區氣候特征。按表2-5的指標將全國劃分為4個區。

1）風能豐富區（Ⅰ）。

a．東南沿海、山東半島和遼東半島沿海區（ⅠA）。這一地區由于面臨海洋，風力較大。愈向內陸，風速愈小，風力等值線與海岸線平行。從表2-5中可以看出，除了高山站——長白山、天池、五臺山、賀蘭山等外，全國氣象站風速≥7m/s的地方，都集中在東南沿海。平潭年平均風速為8.7m/s，是全國平地上最大的。該區有效風能密度在200W/m2以上，海島上可達300W/m2以上，其中平潭最大（749.1W/m2）。風速≥3m/s的小時數全年有6000h以上，風速≥6m/s的小時數在3500h以上。而平潭分別可達7939h和6395h。也就是說，風速≥3m/s的風每天平均有21.75h。這里的風能就潛力是十分可觀的，臺山、大陳島、南麂島、成頭山、東山、馬祖、馬公、東沙、嵊泗等風能也都很大。

這一區，風能大的原因，主要是由于海面比起伏不平的陸地表面摩擦阻力小。在氣壓梯度相同的條件下，海面上風速比陸地要大。風能的季節分配，山東、遼東半島春季最大，冬季次之，這里30年一遇10min平均最大風速為35～40m/s，瞬間風速可達50～60m/s，為全國最大風速的最大區域。而東南沿海、臺灣及南海諸島都是秋季風能最大，冬季次之，這與秋季臺風活動頻率有關。

b．三北部區（ⅠB）。本區是內陸風能資源最好的區域，年平均風能密度在200W/m2以上，個別地區可達300W/m2。風速≥3m/s的時間1年有5000～6000h，虎勒蓋爾可達7659h。風速≥6m/s的時間1年在3000h以上，個別地點在4000h以上（如朱日和為418h）。本區地面受內蒙古高壓控制，每次冷空氣南下都可造成較強風力，而且地面平坦，風速梯度較小，春季風能最大，冬季次之。30年一遇10min平均最大風速可達30～35m/s，瞬時風速為45～50m/s，本區地域遠較沿海為廣。

c．松花江下游區（ⅠC）。本區風能密度在200W/m2以上，風速≥3m/s的時間有5000h，每年風速≥6～20m/s的時間在3000h以上。本區的大風多數是由東北低壓造成的。東北低壓春季最易發展，秋季次之，所以春季風力最大，秋季次之。同時，這一區又處于峽谷中，北為小興安嶺，南有長白山，這一區恰好在喇叭口處，風速加大。30年一遇10min平均最大風速為25～30m/s，瞬時風速為40～50m/s。

2）風能較豐富區（Ⅱ）。

a．東南沿海內陸和渤海沿海區（ⅡD）。從汕頭沿海岸向北，沿東南沿海經江蘇、山東、遼寧沿海到東北丹東。實際上是豐富區向內陸的擴展。這一區的風能密度為150～200W/m2，風速≥3m/s的時間有4000～5000h，風速≥6m/s的有2000～3500h。長江口以南，大致秋季風能大，冬季次之；長江口以北，大致春季風能大，冬季次之。30年一遇10min平均最大風速為30m/s，瞬時風速50m/s。

b．三北的南部區（ⅡE）。從東北圖們江口區向西，沿燕山北麓經河西走廊，過天山到新疆阿拉山口南，橫穿三北中北部。這一區的風能密度為150～200W/m2，風速≥3m/s的時間有4000～4500h。這一區的東部也是豐富區向南向東擴展的地區。在西部北疆是冷空氣的通道，風速較大也形成了風能較豐富區。30年一遇10min平均最大風速為30～32m/s，最大瞬時風速為45～50m/s。

c．青藏高原區（ⅡF）。本區的風能密度在150W/m2以上，個別地區（如五道梁）可達180W/m2，而3～20m/s的風速出現的時間卻比較多，一般在5000h以上（如茫崖為6500h）。所以，若不考慮風能密度，僅以風速≥3m/s出現時間來進行區劃，那么該地區應為風能豐富區。但是，由于這里海拔在3000～5000m以上，空氣密度較小。在風速相同的情況下，這里風能較海拔低的地區為小，若風速同樣是8m/s，上海的風能密度為313.3W/m2，而呼和浩特為286.0W/m2，兩地高度相差1000m，風能密度則相差10%。林芝與上海高度相差約3000m，風能密度相差30%；那曲與上海高度相差4500m，風能密度則相差40%，見表2-6。由此可見，計算青藏高原（包括內陸的高山）的風能時，必須考慮空氣密度的影響，否則計算值將會大大地偏高。青藏高原海拔較高，離高空西風帶較近，春季隨著地面增熱，對流加強，上下冷熱空氣交換，使西風急流動量下傳，風力較大，故這一區的春季風能最大，夏季次之。這是由于此區里夏季轉為東風急流控制，西南季風爆發，雨季來臨，但由于熱力作用強大，對流活動頻繁且旺盛，所以風力也較大。30年一遇10min平均最大風速為30m/s，雖然這里極端風速可達11～12級，但由于空氣密度小，風壓卻只能相當于平原的10級。

3）風能可利用區（Ⅲ）。

a．兩廣沿海區（ⅢG）。這一區在南嶺以南，包括福建海岸向內陸50～100km的地帶。風能密度為50～100W/m2，每年風速≥3m/s的時間為2000～4000h，基本上從東向西逐漸減小。本區位于大陸的南端，但冬季仍有強大冷空氣南下，其冷鋒可越過本區到達南海，使本區風力增大。所以，本區的冬季風最大；秋季受臺風的影響，風力次之。由廣東沿海的陽江以西沿海，包括雷州半島，春季風能最大。這是由于冷空氣在春季被南嶺山地阻擋，一股股冷空氣沿漓江河谷南下，使這一地區的春季風力變大。秋季，臺風對這里雖有影響，但臺風西行路徑僅占所有臺風的19%，臺風影響不如冬季冷空氣影響的次數多，故本區的冬季風能較秋季為大。30年一遇10min平均最大風速可達37m/s，瞬時風速可達58m/s。

b．大小興安嶺山地區（ⅢH）。大小興安嶺山地的風能密度在100W/m2左右，每年風速≥3m/s的時間為3000～4000h。冷空氣只有偏北時才能影響到這里，本區的風力主要受東北低壓影響較大，故春、秋季風能大。30年一遇最大10min平均風速可達37m/s，瞬時風速可達45～50m/s。

c．中部地區（ⅢⅠ）。東北長白山開始向西過華北平原，經西北到中國最西端，貫穿中國東西的廣大地區。由于本區有風能欠缺區（即以四川為中心）在中間隔開，這一區的形狀與希臘字母“π”很相像，它約占全國面積50%。在“π”字形的前一半，包括西北各省的一部分、川西和青藏高原的東部與南部。風能密度為100～150W/m2，一年風速≥3m/s的時間有4000h左右。這一區春季風能最大，夏季次之。但雅魯藏布江兩側（包括橫斷山脈河谷）的風能春季最大，冬季次之。“π”字形的后一半分布在黃河和長江中下游。這一地區風力主要是冷空氣南下造成的，每當冷空氣過境，風速明顯加大，所以這一地區的春、冬季節風能大。由于冷空氣南移的過程中，地面氣溫較高，冷空氣很快變性分裂，很少有明顯的冷空氣到達長江以南。但這時臺風活躍，所以這里秋季風能相對較大，春季次之。30年一遇最大10min平均風速為25m/s左右，瞬時風速可達40m/s。

4）風能欠缺區（Ⅳ）。

a．川云貴和南嶺山地區（ⅣJ）。本區以四川為中心，西為青藏高原，北為秦嶺，南為大婁山，東面為巫山和武陵山等。這一地區冬半年處于高空西風帶“死水區”內，四周的高山，使冷空氣很難入侵。夏半年臺風也很難影響到這里，所以，這一地區為全國最小風能區，風能密度在500W/m2以下，成都僅為35W/m2左右。風速≥3m/s的時間在2000h以上，成都僅有400h，恩施、景洪二地更小。南嶺山地風能欠缺，由于春、秋季冷空氣南下，受到南嶺阻擋，往往停留在這里，冬季弱空氣到此地也形成南嶺準靜止鋒，故風力較小。南嶺北側受冷空氣影響相對比較明顯，所以冬、春季風力最大。南嶺南側多為臺風影響，故風力最大的在冬、秋兩季。30年一遇10min平均最大風速20～25m/s，瞬時風速可達30～38m/s。

b．雅魯藏布江和昌都區（ⅣK）。雅魯藏布江河谷兩側為高山。昌都地區，也在橫斷山脈河谷中。這兩地區由于山脈屏障，冷、暖空氣都很難侵入，所以風力很小。有效風能密度在50W/m2以下，風速≥3m/s的時間在2000h以下。雅魯藏布江風能是春季最大，冬季次之，而昌都是春季最大，夏季次之。30年一遇10min平均最大風速25m/s，最大瞬時風速為38m/s。

c．塔里木盆地西部區（ⅣL）。本區四面亦為高山環抱，冷空氣偶爾越過天山，但為數不多，所以風力較小。塔里木盆地東部由于是一馬蹄形“C”的開口，冷空氣可以從東灌入，風力較大，所以盆地東部屬可利用區。30年一遇10min平均最大風速25～28m/s，最大瞬時風速為40m/s左右。

（3）各風能區中，不同下墊面風速的變化。上面已談到，4個風能區是粗略地區分。往往在一些情況下，豐富區中可能包括較豐富的地區，較豐富區又包括豐富的地區。這種差異，一般是由于下墊面造成的，特別是山脊、山頂和海岸帶地區。

根據大量實測資料對比分析，參照國外的資料給出表2-7。

由表2-7可知，氣象站觀測的風速較小，這主要是由于氣象站一般位置在城市附近，受城市建筑等的影響使風速偏小。如在豐富區，氣象站年平均風速為4.5m/s，開闊的平原為6m/s，海岸帶為6.5m/s，到山頂可達7.0m/s。這就說明地形對風速的影響是很大的。若以風能而論，大的更為明顯，同是豐富區，氣象站風能功率密度為225W/m2，而山頂可達425W/m2，幾乎增加1倍。