2.1.2 风能资源的计算及其分布

在了解了地球上风的形成和风带的分布规律之后，将进一步估计某一地区以及更大范围内风能资源的潜力。这是风能利用的基础，也是最重要的工作。因为任何风能利用装置，从设计、制造，到安装使用以及使用效果，都必须考虑风能资源状况。

如前所述，地球上风的形成主要是由于太阳辐射造成地球各部分受热的不均匀，因此形成了大气环流以及各种局地环流。除了这些有规则的运动形式之外，自然界的大气运动还有复杂而无规则的乱流运动。因此，这就给对风能资源潜力的估计、风电场的选址带来了很大的困难，但是在大的天气气候背景和有利的地形条件下仍有很强的规律可循。

1．中国风能资源总储量的估计

风能利用究竟有多大的发展前景，就需要对它的总储量有一个科学的估计。这样在制定今后可以发展的各种能源比例上就可以进行更合理的配置，充分发挥其效益。

对全球风能储量的估计早在1948年曾由普特南姆（Putnam）进行了估算，他认为大气总能量约为1014MW，这个数量得到世界气象组织的认可，并在1954年世界气象组织在它出版的技术报告第4期《来自于风的能量》专集中进一步假定上述数量的千万分之一是可为人们所利用的，即有107MW为可利用的风能。这就是相当于10000个每座发电量为100万kW的利用燃料发电的发电厂的发电量。这个数量相当于当今全世界能源的总需求量。可见，它是一个十分巨大的潜在能源库。然而冯阿尔克斯（W.S.Von Arx）在1974年认为上述的量过大，这个量只是一个贮藏量，对于可再生能源来说，必须跟太阳能的流入量对它的补充相平衡，其补充率较它小时，它将会衰竭，因此人们关心的是可利用的风的动能。他认为地球上可以利用的风能为106MW，即使如此，可利用风能的数量仍旧是地球上可利用的水力的10倍。因此在可再生能源中，风能是一种非常可观的，有前途的能源。

古斯塔夫逊在1979年从另一个角度推算了风能利用的极限。他根据风能从根本上说是来源于太阳能这一理论，认为可以通过估计到达地球表面的太阳辐射流有多少能够转变为风能，来得知有多少可利用的风能。根据他的推算，到达地球表面的太阳辐射流是1.8 ×1017W，经折算后也就是350W/m2，其中转变为风的转换率η=0.02，可以获得的风能为3.6×1015W，即7W/m2。在整个大气层中边界层占有35%，也就是边界层中能获得的风能为1.3×1015W，即2.5W/m2。作为一种稳妥的估计，在近地面层中的风能提取极限是它的1/10，即0.25W/m2，全球的总量就是1.3×1014W。古斯塔夫逊根据埃尔撒西尔（Ellsaeseer）所作的全球不同高度上大气动能耗散率的图，认为美国本土相当接近全球耗散率，因此按美国8×1012m2面积计算了美国在边界层范围内风能获得量为2×1013W，而可以被提取利用的量是2×1012W，这个数量是目前美国发电总装机容量7×1011W的3倍。

根据全国年平均风能功率密度分布图，利用每平方米25W、50W、100W、200W等各等值线区间的面积乘以各等级风能功率密度，然后求其各区间之和，可计算出全国10m高度处风能储量为322.6×1010W，即32.26亿kW，这个储量称作理论可开发量，要考虑风力机间的湍流影响，一般取风力机间距10倍叶轮直径，因此按上述总量的1/10估计，并考虑风力机叶片的实际扫掠面积（对于1m直径叶轮的面积为0.52×π=0.785m2），因此，再乘以扫掠面积系数0.785，即为实际可开发量。由此，便可得到中国风能实际可开发量为2.53×1011W，即2.53亿kW。这个值不包括海面上的风能资源量。同时，仅是10m高度层上的风能资源量，而非整层大气或整个近地层内的风能量。因此，本估算与阿尔克斯、古斯塔夫逊等人的估算值不属同一概念，不能直接与之比较。我国东海和南海开发利用的风能资源量为7.5亿kW。

2．风能的计算

风能的利用主要就是将它的动能转化为其他形式的能，因此计算风能的大小也就是计算气流所具有的动能。

在单位时间内流过垂直于风速截面积A（m2）的风能，即风功率为

式中：为风能，W（即kg·m2/s3）; ρ为空气密度，kg/m3; v为风速，m/s。

式（2-3）是常用的风功率公式，而在风力工程上，则又习惯称之为风能公式。

由式（2-3），可以看出，风能大小与气流通过的面积、空气密度和气流密度的立方成正比。因此，在风能计算中，最重要的因素是风速，风速取值准确与否对风能的估计有决定性作用。如风速大1倍，风能可达8倍。

为了衡量一个地方风能的大小，评价一个地区的风能潜力，风能密度是最方便和有价值的量。风能密度是气流在单位时间内垂直通过单位截面积的风能。将式（2-3）除以相应的面积A，当A=1，便得到风功率密度的公式，也称风能密度公式，即

由于风速是一个随机性很大的量，必须通过一定长度的观测来了解它的平均状况。因此在一段时间长度内的平均风能密度，可以将上式对时间积分后平均。

当知道了在T时间长度内风速v的概率分布P（v）后，平均风能密度便可计算出来。

风速分布P（v）在研究了风速的统计特性后，可以用一定的概率分布形式来拟合，这样就大大简化了计算的手续。

由于风力机需要根据一个确定的风速来确定风力机的额定功率，这个风速称为额定风速。在这种风速下，风力机功率达到最大。风力工程中，把风力机开始运行做功时的这个风速称为启动风速或切入风速。大到某一极限风速时，风力机就有损坏的危险，必须停止运行，这一风速称为停机风速或切出风速。因此，在统计风速资料计算风能潜力时，必须考虑这两种因素。通常将切入风速到切出风速之间的风能称为有效风能。因此还必须引入有效风能密度这一概念，它是有效风能范围内的风能平均密度。

3．风能资源分布

风能资源潜力的多少，是风能利用的关键。利用上述方法计算出的全国有效风能功率密度和可利用小时数，代表了风能资源丰欠的指标值。将这两张图综合归纳分析，可以看出如下几个特点：

（1）大气环流对风能分布的影响。东南沿海及东海、南海诸岛，因受台风的影响，最大年平均风速在5m/s以上。大陈岛台山可达8m/s以上，风能也最大。东南海沿岸有效风能密度≥200W/m2，其等值线平行于海岸线，有效风能出现时间百分率可达80%～90%。风速≥3m/s的风全年出现累积小时数为7000～8000h；风速≥6m/s的风有4000h左右。岛屿上的有效风能密度为200～500W/m2，风能可以集中利用。福建的台山、东山、平潭、三沙，台湾的澎湖湾，浙江的南麂山、大陈、嵊泗等岛，有效风能密度都在500W/m2左右，风速≥3m/s的风积累为800h，换言之，平均每天可以有21h以上的风速≥3m/s。但在一些大岛，如台湾和海南，又具有独特的风能分布特点。台湾风能南北两端大，中间小；海南西部大于东部。

内蒙古和甘肃北部地区，高空终年在西风带的控制下。冬半年地面在内蒙古高原东南缘，冷空气南下，因此，总有5～6级以上的风速出现在春夏和夏秋之交。气旋活动频繁，当每一气旋过境时，风速也较大。这一地区年平均风速在4m/s以上，宝音图可达6m/s。有效风能密度为200～300W/m2，风速≥3m/s的风全年积累小时数在5000h以上，风速≥6m/s的风在2000h以上。其规律从北向南递减。其分布范围较大，从面积来看，是中国风能连成一片的最大地带。

云、贵、川、甘南、陕西、豫西、鄂西和湘西风能较小。这一地区因受西藏高原的影响，冬半年高空在西风带的死水区，冷空气沿东亚大槽南下很少影响这里。下半年海上来的天气系统也很难到这里，所以风速较弱，年平均风速约在2.0m/s以上，有效风能密度在500W/m2以下，有效风力出现时间仅20%左右。风速≥3m/s的风全年出现累积小时数在2000h以下，风速≥6m/s的风在150h以下。在四川盆地和西双版纳最小，年平均风速小于1m/s。这里全年静风频率在60%以上，如绵阳为67%，巴中为60%，阿坝为67%，恩施为75%，德格为63%，耿马孟定为72%，景浩为79%，有效风能密度仅30W/m2左右。风速≥3m/s的风全年出现累积小时数仅3000h以上，风速≥6m/s的风仅20多h，换句话说，这里平均每18d以上才有1次10min的风速≥6m/s的风。风能是没有利用价值的。

（2）海陆和水体对风能分布的影响。中国沿海风能都比内陆大，湖泊都比周围的湖滨大。这是由于气流流经海面或湖面摩擦力较少，风速较大。由沿海向内陆或由湖面向湖滨，动能很快消耗，风速急剧减小。故有效风能密度，风速≥3m/s和风速≥6m/s的风的全年积累小时的等值线不但不平行于海岸线和湖岸线，而且数值相差很大。福建海滨是中国风能分布丰富地带，而距海50km处，风能反变为贫乏地带。山东荣成和文登两地相差不到40km，而荣成有效风能密度为240W/m2，文登为141W/m2，相差59%。台风风速随着登陆的距离削减情况的统计结果如图2-11所示，若台风登陆时在海岸上的地形影响风速，可分山脉、海拔高度和中小地形等几个方面。

（3）地形对风能分布的影响。

1）山脉对风能的影响。气流在运行中遇到地形阻碍的影响，不但会改变大形势下的风速，还会改变方向。其变化的特点与地形形状有密切关系。一般范围较大的地形，对气流有屏障的作用，使气流出现爬绕运动。所以，在天山、祁连山、秦岭、大小兴安岭、阴山、太行山、南岭和武夷山等的风能密度线和可利用小时数曲线大都平行于这些山脉。特别明显的是东南沿海的几条东北—西南走向的山脉，如武夷山、戴云山、鹫峰山、括苍山等。所谓华夏式山脉，山的迎风面风能是丰富的，风能密度为200W/m2，风速≥3m/s的风出现的小时数约为7000～8000h。而在山区及其背风面风能密度在50W/m2以下，风速≥3m/s的风出现的小时数约为1000～2000h，风能是不能利用的。四川盆地和塔里木盆地由于天山和秦岭山脉的阻挡为风能不能利用区。雅鲁藏布江河谷，也是由于喜马拉雅山脉和冈底斯山的屏障，风能很小，不值得利用。

2）海拔高度对风能的影响。由于地面摩擦消耗运动气流的能量，在山地风速是随着海拔高度增加而增加的。见表2-3，对高山与山麓年平均风速对比，每上升100m，风速约增加0.11～0.34m/s。

事实上，在复杂山地，很难分清地形和海拔高度的影响，两者往往交织在一起，如北京与八达岭风力发电试验站同时观测的平均风速分别为2.8m/s和5.8m/s，相差3.0m/s。后者风大，一是由于它位于燕山山脉的一个南北向的低地；二是由于它海拔比北京高500多米，是两者同时作用的结果。

青藏高原海拔在4000m以上，所以这里的风速比周围大，但其有效风能密度却较小，在150W/m2左右。这是由于青藏高原海拔高，但空气密度较小，因此风能较小，如在4000m的空气密度大致为地面的67%。也就是，同样是8m/s的风速，在平地海拔500m以下为313.6W/m2，而在4000m只有209.9W/m2。

3）中小地形的影响。避风地形风速较小，狭管地形风速增大。明显的狭管效应地区如新疆的阿拉山口、达坂城、甘肃的安西、云南的下关等，这些地方风速都明显的增大。

即使在平原上的河谷，如松花江、汾河、黄河和长江等河谷，风能比较周围地区大。

海峡也是一种狭管地形，与盛行风向一致时，风速较大，如台湾海峡中的澎湖列岛，年平均风速为6.5m/s，马祖为5.9m/s，平潭为8.7m/s，南澳为8m/s，又如渤海海峡的长岛，年平均风速为5.9m/s等。

局地风对风能的影响是不可低估的。在一个小山丘前，气流受阻，强迫抬升，所以在山顶流线密集，风速加强。山的背风面，因为流线辐射，风速减小。有时气流流过一个障碍，如小山包等，其产生的影响在下方5～10km的范围。有些低层风是由于地面粗糙度的变化形成的。

4．风能区划

划分风能区划的目的，是为了了解各地风能资源的差异，以便合理地开发利用。

（1）区划标准。风能分布具有明显的地域性的规律，这种规律反映了大型天气系统的活动和地形作用的综合影响。

第一级区划选用能反映风能资源多寡的指标，即利用年有效风能密度和年风速≥3m/s风的年积累小时数的多少将中国全国分为4个区，见表2-4。

第二级区划指标，选用一年四季中各季风能大小和有效风速出现的小时数。

第三级区划指标，采用风力机安全风速，即抗大风的能力，一般取30年一遇。

根据这三种指标，将全国分为4个大区，30个小区。

一般，仅粗略地了解风能区划的大的分布趋势。所以，按一级指标就能满足。

（2）中国风能分区及各区气候特征。按表2-5的指标将全国划分为4个区。

1）风能丰富区（Ⅰ）。

a．东南沿海、山东半岛和辽东半岛沿海区（ⅠA）。这一地区由于面临海洋，风力较大。愈向内陆，风速愈小，风力等值线与海岸线平行。从表2-5中可以看出，除了高山站——长白山、天池、五台山、贺兰山等外，全国气象站风速≥7m/s的地方，都集中在东南沿海。平潭年平均风速为8.7m/s，是全国平地上最大的。该区有效风能密度在200W/m2以上，海岛上可达300W/m2以上，其中平潭最大（749.1W/m2）。风速≥3m/s的小时数全年有6000h以上，风速≥6m/s的小时数在3500h以上。而平潭分别可达7939h和6395h。也就是说，风速≥3m/s的风每天平均有21.75h。这里的风能就潜力是十分可观的，台山、大陈岛、南麂岛、成头山、东山、马祖、马公、东沙、嵊泗等风能也都很大。

这一区，风能大的原因，主要是由于海面比起伏不平的陆地表面摩擦阻力小。在气压梯度相同的条件下，海面上风速比陆地要大。风能的季节分配，山东、辽东半岛春季最大，冬季次之，这里30年一遇10min平均最大风速为35～40m/s，瞬间风速可达50～60m/s，为全国最大风速的最大区域。而东南沿海、台湾及南海诸岛都是秋季风能最大，冬季次之，这与秋季台风活动频率有关。

b．三北部区（ⅠB）。本区是内陆风能资源最好的区域，年平均风能密度在200W/m2以上，个别地区可达300W/m2。风速≥3m/s的时间1年有5000～6000h，虎勒盖尔可达7659h。风速≥6m/s的时间1年在3000h以上，个别地点在4000h以上（如朱日和为418h）。本区地面受内蒙古高压控制，每次冷空气南下都可造成较强风力，而且地面平坦，风速梯度较小，春季风能最大，冬季次之。30年一遇10min平均最大风速可达30～35m/s，瞬时风速为45～50m/s，本区地域远较沿海为广。

c．松花江下游区（ⅠC）。本区风能密度在200W/m2以上，风速≥3m/s的时间有5000h，每年风速≥6～20m/s的时间在3000h以上。本区的大风多数是由东北低压造成的。东北低压春季最易发展，秋季次之，所以春季风力最大，秋季次之。同时，这一区又处于峡谷中，北为小兴安岭，南有长白山，这一区恰好在喇叭口处，风速加大。30年一遇10min平均最大风速为25～30m/s，瞬时风速为40～50m/s。

2）风能较丰富区（Ⅱ）。

a．东南沿海内陆和渤海沿海区（ⅡD）。从汕头沿海岸向北，沿东南沿海经江苏、山东、辽宁沿海到东北丹东。实际上是丰富区向内陆的扩展。这一区的风能密度为150～200W/m2，风速≥3m/s的时间有4000～5000h，风速≥6m/s的有2000～3500h。长江口以南，大致秋季风能大，冬季次之；长江口以北，大致春季风能大，冬季次之。30年一遇10min平均最大风速为30m/s，瞬时风速50m/s。

b．三北的南部区（ⅡE）。从东北图们江口区向西，沿燕山北麓经河西走廊，过天山到新疆阿拉山口南，横穿三北中北部。这一区的风能密度为150～200W/m2，风速≥3m/s的时间有4000～4500h。这一区的东部也是丰富区向南向东扩展的地区。在西部北疆是冷空气的通道，风速较大也形成了风能较丰富区。30年一遇10min平均最大风速为30～32m/s，最大瞬时风速为45～50m/s。

c．青藏高原区（ⅡF）。本区的风能密度在150W/m2以上，个别地区（如五道梁）可达180W/m2，而3～20m/s的风速出现的时间却比较多，一般在5000h以上（如茫崖为6500h）。所以，若不考虑风能密度，仅以风速≥3m/s出现时间来进行区划，那么该地区应为风能丰富区。但是，由于这里海拔在3000～5000m以上，空气密度较小。在风速相同的情况下，这里风能较海拔低的地区为小，若风速同样是8m/s，上海的风能密度为313.3W/m2，而呼和浩特为286.0W/m2，两地高度相差1000m，风能密度则相差10%。林芝与上海高度相差约3000m，风能密度相差30%；那曲与上海高度相差4500m，风能密度则相差40%，见表2-6。由此可见，计算青藏高原（包括内陆的高山）的风能时，必须考虑空气密度的影响，否则计算值将会大大地偏高。青藏高原海拔较高，离高空西风带较近，春季随着地面增热，对流加强，上下冷热空气交换，使西风急流动量下传，风力较大，故这一区的春季风能最大，夏季次之。这是由于此区里夏季转为东风急流控制，西南季风爆发，雨季来临，但由于热力作用强大，对流活动频繁且旺盛，所以风力也较大。30年一遇10min平均最大风速为30m/s，虽然这里极端风速可达11～12级，但由于空气密度小，风压却只能相当于平原的10级。

3）风能可利用区（Ⅲ）。

a．两广沿海区（ⅢG）。这一区在南岭以南，包括福建海岸向内陆50～100km的地带。风能密度为50～100W/m2，每年风速≥3m/s的时间为2000～4000h，基本上从东向西逐渐减小。本区位于大陆的南端，但冬季仍有强大冷空气南下，其冷锋可越过本区到达南海，使本区风力增大。所以，本区的冬季风最大；秋季受台风的影响，风力次之。由广东沿海的阳江以西沿海，包括雷州半岛，春季风能最大。这是由于冷空气在春季被南岭山地阻挡，一股股冷空气沿漓江河谷南下，使这一地区的春季风力变大。秋季，台风对这里虽有影响，但台风西行路径仅占所有台风的19%，台风影响不如冬季冷空气影响的次数多，故本区的冬季风能较秋季为大。30年一遇10min平均最大风速可达37m/s，瞬时风速可达58m/s。

b．大小兴安岭山地区（ⅢH）。大小兴安岭山地的风能密度在100W/m2左右，每年风速≥3m/s的时间为3000～4000h。冷空气只有偏北时才能影响到这里，本区的风力主要受东北低压影响较大，故春、秋季风能大。30年一遇最大10min平均风速可达37m/s，瞬时风速可达45～50m/s。

c．中部地区（ⅢⅠ）。东北长白山开始向西过华北平原，经西北到中国最西端，贯穿中国东西的广大地区。由于本区有风能欠缺区（即以四川为中心）在中间隔开，这一区的形状与希腊字母“π”很相像，它约占全国面积50%。在“π”字形的前一半，包括西北各省的一部分、川西和青藏高原的东部与南部。风能密度为100～150W/m2，一年风速≥3m/s的时间有4000h左右。这一区春季风能最大，夏季次之。但雅鲁藏布江两侧（包括横断山脉河谷）的风能春季最大，冬季次之。“π”字形的后一半分布在黄河和长江中下游。这一地区风力主要是冷空气南下造成的，每当冷空气过境，风速明显加大，所以这一地区的春、冬季节风能大。由于冷空气南移的过程中，地面气温较高，冷空气很快变性分裂，很少有明显的冷空气到达长江以南。但这时台风活跃，所以这里秋季风能相对较大，春季次之。30年一遇最大10min平均风速为25m/s左右，瞬时风速可达40m/s。

4）风能欠缺区（Ⅳ）。

a．川云贵和南岭山地区（ⅣJ）。本区以四川为中心，西为青藏高原，北为秦岭，南为大娄山，东面为巫山和武陵山等。这一地区冬半年处于高空西风带“死水区”内，四周的高山，使冷空气很难入侵。夏半年台风也很难影响到这里，所以，这一地区为全国最小风能区，风能密度在500W/m2以下，成都仅为35W/m2左右。风速≥3m/s的时间在2000h以上，成都仅有400h，恩施、景洪二地更小。南岭山地风能欠缺，由于春、秋季冷空气南下，受到南岭阻挡，往往停留在这里，冬季弱空气到此地也形成南岭准静止锋，故风力较小。南岭北侧受冷空气影响相对比较明显，所以冬、春季风力最大。南岭南侧多为台风影响，故风力最大的在冬、秋两季。30年一遇10min平均最大风速20～25m/s，瞬时风速可达30～38m/s。

b．雅鲁藏布江和昌都区（ⅣK）。雅鲁藏布江河谷两侧为高山。昌都地区，也在横断山脉河谷中。这两地区由于山脉屏障，冷、暖空气都很难侵入，所以风力很小。有效风能密度在50W/m2以下，风速≥3m/s的时间在2000h以下。雅鲁藏布江风能是春季最大，冬季次之，而昌都是春季最大，夏季次之。30年一遇10min平均最大风速25m/s，最大瞬时风速为38m/s。

c．塔里木盆地西部区（ⅣL）。本区四面亦为高山环抱，冷空气偶尔越过天山，但为数不多，所以风力较小。塔里木盆地东部由于是一马蹄形“C”的开口，冷空气可以从东灌入，风力较大，所以盆地东部属可利用区。30年一遇10min平均最大风速25～28m/s，最大瞬时风速为40m/s左右。

（3）各风能区中，不同下垫面风速的变化。上面已谈到，4个风能区是粗略地区分。往往在一些情况下，丰富区中可能包括较丰富的地区，较丰富区又包括丰富的地区。这种差异，一般是由于下垫面造成的，特别是山脊、山顶和海岸带地区。

根据大量实测资料对比分析，参照国外的资料给出表2-7。

由表2-7可知，气象站观测的风速较小，这主要是由于气象站一般位置在城市附近，受城市建筑等的影响使风速偏小。如在丰富区，气象站年平均风速为4.5m/s，开阔的平原为6m/s，海岸带为6.5m/s，到山顶可达7.0m/s。这就说明地形对风速的影响是很大的。若以风能而论，大的更为明显，同是丰富区，气象站风能功率密度为225W/m2，而山顶可达425W/m2，几乎增加1倍。