風(fēng)能資源特性分析

文/袁雅琳

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源作為推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要?jiǎng)恿?，?duì)其進(jìn)行研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。風(fēng)能作為可再生資源，在我國(guó)現(xiàn)代新能源開(kāi)發(fā)中占據(jù)一定地位。其憑借著可再生、無(wú)污染、儲(chǔ)量大等特點(diǎn)，將會(huì)成為我國(guó)未來(lái)重要的能源形式。本文主要從風(fēng)的形成、風(fēng)的特性、風(fēng)能特點(diǎn)三個(gè)方面對(duì)風(fēng)能資源進(jìn)行了分析。

分析背景

能源，世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，也是21世紀(jì)之后世界必將面臨的危機(jī)。能源安全和環(huán)境保護(hù)確實(shí)已經(jīng)成為每個(gè)人都關(guān)心的全球化問(wèn)題。現(xiàn)代氣候逐漸惡劣，并且不可再生能源的燃料價(jià)格逐漸的上升，能源的過(guò)度開(kāi)采，溫室氣體的排放，使得溫室氣體超標(biāo)，人們的生存環(huán)境逐漸惡劣。

因此，在這樣的環(huán)境下，開(kāi)發(fā)可再生清潔能源至關(guān)重要。風(fēng)能作為一種可再生清潔能源，在我國(guó)能源發(fā)展中占據(jù)重要地位。對(duì)風(fēng)能進(jìn)行分析具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

風(fēng)能資源分析

（1）風(fēng)的形成。風(fēng)的形成主要是由于大氣的水平運(yùn)動(dòng)，空氣運(yùn)動(dòng)主要是通過(guò)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(zhuǎn)偏向力、離心力以及摩擦力。由于各個(gè)力的性質(zhì)不同，對(duì)于大氣運(yùn)動(dòng)的影響效果不同。

氣壓梯度力：氣壓梯度是一個(gè)向量，其主要垂直于等壓面，由高壓指向低壓，具體數(shù)值等于等距離內(nèi)的水平氣壓差。雖然水平氣壓梯度力較小，但卻是推動(dòng)整個(gè)空氣運(yùn)動(dòng)的原動(dòng)力，是空氣運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的直接原因。

地轉(zhuǎn)偏向力：空氣按照水平梯度力循環(huán)的過(guò)程中，會(huì)受到一定地轉(zhuǎn)偏向力的影響，由于緯度帶的地轉(zhuǎn)偏向力數(shù)值大小不等，則會(huì)改變空氣運(yùn)動(dòng)的風(fēng)向與運(yùn)動(dòng)速率。其中離心力與地轉(zhuǎn)偏向力相同，只能夠改變空氣運(yùn)動(dòng)的方向與速度。

摩擦力：摩擦力在大氣運(yùn)動(dòng)當(dāng)中可以被稱之為內(nèi)摩擦力與外摩擦力。內(nèi)摩擦力可以被稱之為湍流摩擦力，主要是由于兩個(gè)空氣層之間產(chǎn)生相互作用的力，并以湍流交換作用使得氣流速度發(fā)生變化；外摩擦力主要是由于空氣與下墊面進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，下墊面對(duì)空氣的阻礙作用較小。海洋摩擦小，陸地摩擦大，所以海上風(fēng)大，陸地風(fēng)小。

（2）風(fēng)的特。風(fēng)具有隨機(jī)性，表現(xiàn)在其速度和方向隨時(shí)間在不斷地變化，能量和功率隨之也發(fā)生改變。這種變化可能是短期內(nèi)的波動(dòng)，也可能是晝夜變化，或者季節(jié)變化。

①風(fēng)速隨時(shí)間的變化。風(fēng)會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化，其中主要包括季節(jié)的變化以及每日的變化。針對(duì)一天之中風(fēng)的變化具有一定的規(guī)律性，也可以稱之為周期性。如陸地夜間風(fēng)較弱，白天風(fēng)較強(qiáng)；海洋白天風(fēng)弱，夜間風(fēng)強(qiáng)。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(duì)于我國(guó)資源變化來(lái)說(shuō)，普遍規(guī)律是白天的風(fēng)較強(qiáng)，而晚上的風(fēng)較弱。應(yīng)當(dāng)指出的是，晝夜之間的風(fēng)速變化對(duì)風(fēng)力發(fā)電是有利的，因?yàn)榘滋毂纫雇硇枰嗟碾娏?。由于地球的傾斜和橢圓形的軌道，導(dǎo)致季節(jié)風(fēng)速變化的根本原因是一年中白天的變化。這種效應(yīng)在兩極出更加的突出。由年風(fēng)速－時(shí)間曲線可以得到年平均風(fēng)速。用年平均風(fēng)速的概念可以衡量一個(gè)地方的風(fēng)資源狀態(tài)。但這一描述方法具有一定的局限性，僅用一個(gè)年平均風(fēng)速很難有較高的準(zhǔn)確度。②風(fēng)隨高度的變化。風(fēng)會(huì)隨著高度的變化而變化?；诳諝獾倪\(yùn)用角度來(lái)講，通常能夠?qū)⒉煌叨鹊拇髿鈱臃譃槿齻€(gè)區(qū)域：第一區(qū)域，距離地面水平較低的區(qū)域?yàn)榈讓?，距地面距離2米以內(nèi)；第二區(qū)域?yàn)橄虏磕Σ翆?，該區(qū)域?yàn)榫嗟孛?米到100米的區(qū)域；第三區(qū)域?yàn)樯喜磕Σ翆?，距離為100米到1000米之間。

（3）風(fēng)能特點(diǎn)。風(fēng)能作為一種自然可再生能源，其在大氣當(dāng)中的存儲(chǔ)量較為驚人。如果能夠?qū)L(fēng)能資源進(jìn)行有效的利用，能夠保證其利用價(jià)值高于水能。風(fēng)能的主要特點(diǎn)有幾個(gè)方面：①蘊(yùn)藏量豐富。在現(xiàn)代可利用再生資源當(dāng)中，普遍認(rèn)為水能應(yīng)用以及蘊(yùn)藏量驚人，但根據(jù)相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示大約有3.5×1012KW的風(fēng)能量能夠被開(kāi)發(fā)和利用。由此可見(jiàn)，風(fēng)能的蘊(yùn)藏量豐富，一旦成功開(kāi)發(fā)，將會(huì)對(duì)我國(guó)能源具有重要的推動(dòng)力。②能源可再生。風(fēng)能具有可再生以及永不枯竭的特點(diǎn)，由于其是空氣之間的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，主要由太陽(yáng)能變異產(chǎn)生。只要太陽(yáng)以及地球存在，風(fēng)能就會(huì)源源不斷，持續(xù)提供持久的能源。③污染小。現(xiàn)代我國(guó)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(shí)，對(duì)自然環(huán)境會(huì)產(chǎn)生一定的影響。在進(jìn)行使用的過(guò)程中會(huì)造成大氣污染以及破壞，危害人類健康。對(duì)于風(fēng)能的可再生資源而言，不存在污染問(wèn)題。并且其在進(jìn)行開(kāi)發(fā)與利用的過(guò)程中能夠有效的減少空氣當(dāng)中的飄塵以及降塵。同時(shí)，風(fēng)能在進(jìn)行開(kāi)發(fā)的過(guò)程中能夠有效的減少開(kāi)發(fā)以及運(yùn)輸問(wèn)題，并且對(duì)建廠的需求較小，對(duì)空間地理的要求較低，只要存在風(fēng)能資源就能夠建設(shè)風(fēng)電站。有效的對(duì)風(fēng)能進(jìn)行及時(shí)的開(kāi)發(fā)與利用。

上述進(jìn)行說(shuō)明的是風(fēng)能的具體優(yōu)點(diǎn)以及在能源當(dāng)中的重要地位，下面針對(duì)影響風(fēng)能開(kāi)發(fā)利用的缺點(diǎn)：①低密度。風(fēng)能的產(chǎn)生主要是由于空氣的流動(dòng)，低密度是影響風(fēng)能有效利用的重要因素。由于空氣的相對(duì)密度較小，造成風(fēng)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(dǎo)致在進(jìn)行風(fēng)能手機(jī)的過(guò)程中變得異常艱難。與水能相比，不能夠?qū)崿F(xiàn)有效的發(fā)電?，F(xiàn)代科技水平的提升，對(duì)于風(fēng)能的利用進(jìn)行了有效的改進(jìn)，但風(fēng)能發(fā)電的輸出功率也只能達(dá)到1350KW，不能夠?qū)L(fēng)能的全部能像有效應(yīng)用，制約風(fēng)能的使用。②隨機(jī)性。氣流的運(yùn)動(dòng)方向、軌跡、風(fēng)速都是在實(shí)施變化的，并且隨著天氣、季節(jié)的不同出現(xiàn)嚴(yán)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(fēng)速檢測(cè)儀器進(jìn)行檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速在不斷的變化。這就導(dǎo)致在進(jìn)行風(fēng)能應(yīng)用以及開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，不能夠及時(shí)把握風(fēng)力，造成開(kāi)發(fā)過(guò)程中的難度過(guò)大。由于電力不能夠大量存儲(chǔ)，使得風(fēng)能的這種隨機(jī)性的弱點(diǎn)表現(xiàn)的尤為明顯。這種隨機(jī)性對(duì)電網(wǎng)的可靠性將造成不可忽視的負(fù)面影響。風(fēng)速無(wú)時(shí)無(wú)刻不在發(fā)生著變化，并且在短時(shí)間內(nèi)毫無(wú)規(guī)律可言，輸出的功率也必然是不穩(wěn)定的，甚至?xí)霈F(xiàn)相當(dāng)大的變化，這也就是導(dǎo)致風(fēng)電的可靠性相當(dāng)差，而且也對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生非常不好的影響。③地區(qū)差異。由于我國(guó)地大物博，國(guó)土面積廣闊，這就導(dǎo)致風(fēng)能在不同的地形地區(qū)的表現(xiàn)形態(tài)不一，并且差異較大。有力的地形與不利的地形進(jìn)行對(duì)比，之間的差異往往會(huì)擴(kuò)大幾倍或者是幾十倍，因此，在進(jìn)行實(shí)際選址的過(guò)程中需要重視地形的有效選擇，保證充分利用風(fēng)能。

（4）垂直切變。風(fēng)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(shè)施影響著空氣在流動(dòng)過(guò)程中的阻力。導(dǎo)致風(fēng)力在地表的風(fēng)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(fēng)的流動(dòng)速度增加。這種風(fēng)速隨高度增加而發(fā)生改變形成的風(fēng)速變化曲線定義為風(fēng)速輪廓線。

通常用于描述風(fēng)速剖面線形狀的冪定律指數(shù)為風(fēng)切變指數(shù)，是用來(lái)衡量風(fēng)速隨高度變化的一個(gè)指標(biāo)。在風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)用中，風(fēng)切變僅指風(fēng)在垂直方向上的變化規(guī)律及特征。

風(fēng)切變指數(shù)的計(jì)算公式為：

風(fēng)切變指數(shù)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的影響主要有兩個(gè)方面：①根據(jù)風(fēng)切變指數(shù)選取最佳的輪轂高度。②如果風(fēng)切變指數(shù)過(guò)大，那么，在葉片的整個(gè)掃風(fēng)面上的風(fēng)力載荷就非常不均衡，將影響到葉片和機(jī)艙的使用壽命和運(yùn)行安全。

按一般規(guī)律，在平坦開(kāi)闊地形測(cè)風(fēng)塔高層的風(fēng)切變指數(shù)小，低層所測(cè)的風(fēng)切變指數(shù)大。當(dāng)?shù)匦螐?fù)雜是，如洼地或山坡，所測(cè)的風(fēng)切變指數(shù)會(huì)出現(xiàn)相反結(jié)果。

（5）湍流。湍流的主要定義是指短時(shí)間內(nèi)的風(fēng)速波動(dòng)，短時(shí)間在一般范圍內(nèi)主要小于10分鐘。湍流產(chǎn)生的原因主要有兩個(gè)方面的內(nèi)容：一個(gè)是當(dāng)氣流流動(dòng)時(shí)，由于地形差異造成的與地表的“摩擦”；另一個(gè)是由于空氣密度差異和氣溫變化的熱效應(yīng)空氣氣團(tuán)垂直運(yùn)動(dòng)。這兩種作用往往相互關(guān)聯(lián)。比如，當(dāng)氣團(tuán)經(jīng)過(guò)山脈是就會(huì)被迫流向溫度較低的地區(qū)，這時(shí)氣團(tuán)與周圍環(huán)境的熱平衡就被打破了。

湍流強(qiáng)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(yùn)動(dòng)的影響。

當(dāng)高度增加時(shí)，這些地表相互作用，所有過(guò)程的影響會(huì)減弱。在某一個(gè)高度以上，可以認(rèn)為空氣流動(dòng)不受地面的影響。這種空氣流動(dòng)被稱為地轉(zhuǎn)風(fēng)。在地處，地球表面的作用會(huì)體現(xiàn)出來(lái)，大氣的這一部分被稱為邊界層。