第3章風(fēng)能及其發(fā)電技術(shù)3.1風(fēng)及風(fēng)能3.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)、蓄能裝置3.3風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成及運(yùn)行

3.4并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)備

3.5風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)3.1風(fēng)及風(fēng)能3.1.1風(fēng)的形式

1.大氣環(huán)流風(fēng)的形成是空氣流動(dòng)的結(jié)果?？諝饬鲃?dòng)的原因是地球繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)，日地距離和方位不同，地球上各緯度所接收的太陽輻射強(qiáng)度也就各異。赤道和低緯度地區(qū)比極地和高緯度地區(qū)太陽輻射強(qiáng)度大，地面和大氣接收的熱量多，因而溫度高，這種溫差形成了南北之間的氣壓梯度，使得空氣流動(dòng)。

地球自轉(zhuǎn)形成的地轉(zhuǎn)偏向力稱為科里奧利力，簡稱偏向力或科氏力。在此力的作用下，在北半球，氣流向右偏轉(zhuǎn)，在南半球，氣流向左偏轉(zhuǎn)。所以，地球大氣的運(yùn)動(dòng)除受到氣壓梯度的作用外，還受到地轉(zhuǎn)偏向力的影響。地轉(zhuǎn)偏向力在赤道為零，隨著緯度的增高而增大，在極地達(dá)到最大。圖3－1三圈環(huán)流示意圖

由于地球表面受熱不均，引起大氣層中空氣壓力不均衡，因此，形成地面與高空的大氣環(huán)流。各環(huán)流圈伸屈的高度，以赤道最高，中緯度次之，極地最低，這主要是由于地球表面增熱程度隨緯度增高而降低的緣故。這種環(huán)流在地球自轉(zhuǎn)偏向力的作用下，形成了赤道到緯度30°N環(huán)流圈（哈德來環(huán)流）、緯度30°~60°N環(huán)流圈和緯度60°~90°N環(huán)流圈，這便是著名的三圈環(huán)流，如圖3－1所示。當(dāng)然，所謂三圈環(huán)流，乃是一種理論上的環(huán)流模型。由于地球上海陸的分布不均勻，因此，實(shí)際的環(huán)流比上述情況要復(fù)雜得多。

2.季風(fēng)環(huán)流

在一個(gè)大范圍地區(qū)內(nèi)，風(fēng)向或氣壓系統(tǒng)有明顯的季節(jié)變化，這種在一年內(nèi)隨著季節(jié)的不同有規(guī)律轉(zhuǎn)變風(fēng)向的風(fēng)，稱為季風(fēng)。季風(fēng)盛行地區(qū)的氣候又稱季風(fēng)氣候。

亞洲東部的季風(fēng)地區(qū)主要包括中國的東部、朝鮮、日本等。亞洲南部的季風(fēng)，以印度半島最為顯著，這就是世界聞名的印度季風(fēng)。

中國位于亞洲的東南部，所以東亞季風(fēng)和南亞季風(fēng)對(duì)中國氣候變化都有很大影響。

形成中國季風(fēng)環(huán)流的因素很多，主要是由于海陸差異、行星風(fēng)帶的季風(fēng)轉(zhuǎn)換以及地形特征等綜合因素形成的。圖3－2是季風(fēng)的地理分布。圖3－2季風(fēng)的地理分布

1）海陸分布對(duì)中國季風(fēng)的作用

海洋的熱容量比陸地大得多。冬季，陸地比海洋冷，大陸氣壓高于海洋，氣壓梯度力自大陸指向海洋，風(fēng)從大陸吹向海洋；夏季則相反，陸地很快變暖，海洋相對(duì)比較冷，陸地氣壓低于海洋，氣壓梯度力由海洋指向大陸，風(fēng)從海洋吹向大陸，如圖3－3所示。

中國東臨太平洋，南臨印度洋，冬夏的海陸溫差大，所以季風(fēng)明顯。圖3－3海陸熱力差異引起的季風(fēng)示意圖

2）行星風(fēng)帶位置季節(jié)轉(zhuǎn)換對(duì)中國季風(fēng)的作用

地球上存在著5個(gè)風(fēng)帶。信風(fēng)帶、盛行西風(fēng)帶、極地東風(fēng)帶在南半球和北半球是對(duì)稱分布的。這5個(gè)風(fēng)帶在北半球的夏季都向北移動(dòng)，而冬季則向南移動(dòng)。這樣，冬季西風(fēng)帶的南緣地帶在夏季可以變成東風(fēng)帶。因此，冬夏盛行風(fēng)就會(huì)發(fā)生180°的變化。

冬季，中國主要在西風(fēng)帶的影響之下，強(qiáng)大的西伯利亞高壓籠罩著全國，盛行偏北氣流。夏季，西風(fēng)帶北移，中國在大陸熱低壓控制之下，副熱帶高壓也北移，盛行偏南風(fēng)。

3）青藏高原對(duì)中國季風(fēng)的作用

青藏高原占中國陸地面積的四分之一，平均海拔在4000m以上，對(duì)于周圍地區(qū)具有熱力作用。在冬季，高原溫度較低，周圍大氣溫度較高，形成下沉氣流，從而加強(qiáng)了地面高壓系統(tǒng)，使冬季風(fēng)增強(qiáng)；在夏季，高原相對(duì)于周圍自由大氣是一個(gè)熱源，加強(qiáng)了高原周圍地區(qū)的低壓系統(tǒng)，使夏季季風(fēng)得到加強(qiáng)。另外，在夏季，西南季風(fēng)由孟加拉灣向北推行，沿著青藏高原東部南北走向的橫斷山脈流向中國的西南地區(qū)。

3.局地環(huán)流

1）海陸風(fēng)

海陸風(fēng)的形成與季風(fēng)相同，也是由大陸和海洋之間的溫度差異的轉(zhuǎn)變引起的。不過海陸風(fēng)的范圍小，以日為周期，勢(shì)力也相對(duì)薄弱。

由于海陸物理屬性的差異，造成海陸受熱不均勻，白天，陸上增溫較海洋快，空氣上升，而海洋上空氣溫相對(duì)較低，使地面有風(fēng)自海洋吹向大陸，補(bǔ)充大陸地區(qū)上升氣流，而陸上的上升氣流流向海洋上空而下沉，補(bǔ)充海上吹向大陸的氣流，形成一個(gè)完整的熱力環(huán)流；夜間環(huán)流的方向正好相反，所以風(fēng)從陸地吹向海洋。通常將這種白天從海洋吹向大陸的風(fēng)稱為海風(fēng)，夜間從陸地吹向海洋的風(fēng)稱為陸風(fēng)，將一天中海陸之間的周期性環(huán)流總稱為海陸風(fēng)（如圖3－4所示）。圖3－4海陸風(fēng)形成示意圖

海陸風(fēng)的強(qiáng)度在海岸最大，隨著離岸距離的增加而減弱，一般影響距離約為20~50km。海風(fēng)的風(fēng)速比陸風(fēng)大，在典型的情況下，風(fēng)速可達(dá)4~7m/s,而陸風(fēng)一般僅為2m/s左右。海陸風(fēng)最強(qiáng)烈的地區(qū)發(fā)生在溫度日變化最大及晝夜海陸溫差最大的地區(qū)。低緯度日照強(qiáng)，所以海陸風(fēng)較為明顯，尤以夏季為甚。

此外，在大湖附近同樣日間有風(fēng)自湖面吹向陸地，稱為湖風(fēng)，夜間風(fēng)自陸地吹向湖面，稱為陸風(fēng)，合稱湖陸風(fēng)。

2）山谷風(fēng)

山谷風(fēng)的形成原理同海陸風(fēng)是類似的。白天，山坡接收太陽光熱較多，空氣增溫較多，而山谷上空，同高度上的空氣因離地較遠(yuǎn)，增溫較少，于是山坡上的暖空氣不斷上升，并從山坡上空流向谷地上空，谷底的空氣則沿山坡向山頂補(bǔ)充，這樣便在山坡與山谷之間形成一個(gè)熱力環(huán)流。下層風(fēng)由谷底吹向上坡，稱為谷風(fēng)。到了夜間，山坡上的空氣受山坡輻射冷卻影響，空氣降溫較多，而谷地上空，同高度的空氣因離地面較遠(yuǎn)，降溫較少，于是山坡上的冷空氣因密度大，順山坡流入谷地，谷底的空氣因匯合而上升，并從上面向山頂上空流去，形成與白天相反的熱力環(huán)流。下層風(fēng)由山坡吹向谷地，稱為山風(fēng)。山風(fēng)和谷風(fēng)又總稱為山谷風(fēng)（如圖3－5所示）。圖3－5山谷風(fēng)形成示意圖

山谷風(fēng)風(fēng)速一般較弱，谷風(fēng)風(fēng)速比山風(fēng)大一些，谷風(fēng)速度一般為2~4m/s，有時(shí)可達(dá)6~7m/s。谷風(fēng)通過山隘時(shí)，風(fēng)速加大。山風(fēng)速度一般僅為1~2m/s。但在峽谷中，風(fēng)力還會(huì)增大。

4.中國風(fēng)能資源的形成

風(fēng)資源的形成受多種自然因素的復(fù)雜影響，天氣氣候背景及地形和海陸的影響至關(guān)重要，因?yàn)轱L(fēng)能在空間分布上是分散的，在時(shí)間分布上是不穩(wěn)定和不連續(xù)的。也就是說，風(fēng)速對(duì)天氣氣候非常敏感，時(shí)有時(shí)無，時(shí)大時(shí)小。盡管如此，風(fēng)能資源在時(shí)間和空間分布上仍存在著很強(qiáng)的地域性和時(shí)間性。對(duì)中國來說，風(fēng)能資源豐富及較豐富的地區(qū)，主要分布在北部和沿海及其島嶼兩個(gè)大帶里，其他只是在一些特殊地形或湖岸地區(qū)成孤島式分布。

1）三北（西北、華北、東北）地區(qū)風(fēng)能資源豐富區(qū)

冬季（12~2月份），整個(gè)亞洲大陸完全受蒙古高壓控制，其中心位置在蒙古人民共和國的西北部，在高壓中不斷有小股冷空氣南下，進(jìn)入中國，同時(shí)還有移動(dòng)性的高壓（反氣旋）不時(shí)地南下。南下時(shí)氣溫較低，當(dāng)一次冷空氣過程中其最低氣溫在5℃以下，且這次過程中日平均氣溫48h內(nèi)最大降溫達(dá)10℃以上時(shí)，稱為一次寒潮，不符合這一標(biāo)準(zhǔn)的稱為一次冷空氣。影響中國的冷空氣有5個(gè)源地，這5個(gè)源地侵入的路線稱為路徑。第一條路徑來自新地島以東附近的北冰洋面，從西北（NW）方向進(jìn)入蒙古人民共和國西部，再東移南下影響中國，稱為西北1路徑，如圖3－6中的NW1；第二條源于新地島以西北冰洋洋面，經(jīng)俄羅斯、蒙古國進(jìn)入中國，稱為西北2路徑，如圖3－6中的NW2；第三條源于地中海附近，稱為西路徑，東移到蒙古國西部再影響中國，如圖3－6中的W；第四條源于太梅爾半島附近北冰洋洋面，向南移入蒙古國，然后再向東南影響中國，稱為北路徑，如圖3－6中的N；第五條源于貝加爾湖以東的東西伯利亞地區(qū)，進(jìn)入中國東北及華北地區(qū)，稱為東北路徑，如圖3－6中的NE。

從圖3－6中還可以看到，這五條路徑進(jìn)入中國后，分兩條不同的路徑南下：一條經(jīng)河套、華北、華中，由長江中下游入海，有時(shí)可侵入華南地區(qū)，沿此路徑入侵的寒潮可以影響中國大部分地區(qū)，出現(xiàn)次數(shù)占總次數(shù)的60%左右，是冷空氣經(jīng)過之地有連續(xù)的大風(fēng)、降溫、并常伴有風(fēng)沙；另一條經(jīng)過華北北部、東北平原，冷空氣路徑東移進(jìn)入日本海，也有一部分經(jīng)華北、黃河下游，向西南移入西湖盆地。這一條出現(xiàn)次數(shù)約占總次數(shù)的40%。它常使渤海、黃海、東海出現(xiàn)東北大風(fēng)，也給長江以北地區(qū)帶來大范圍的大風(fēng)、降雪和低溫天氣。

這五條路徑除東北路徑外，一般都要經(jīng)過蒙古人民共和國，當(dāng)經(jīng)過蒙古高壓時(shí)得到新的冷高壓的補(bǔ)充和加強(qiáng)，往往可以迅速南下，進(jìn)入中國。每當(dāng)冷空氣入侵一次，大氣環(huán)流必定發(fā)生一次大的調(diào)整，天氣也將發(fā)生劇烈的變化。圖3-6寒潮路徑圖

歐亞大陸面積廣大，北部氣溫低，是北半球冷高壓活動(dòng)最頻繁的地區(qū)，而中國地處亞歐大陸南岸，是冷空氣南下必經(jīng)之路，三北地區(qū)正是冷空氣入侵中國的前沿地區(qū)。一般冷高壓前鋒稱為冷鋒，在冷鋒過境時(shí)，在冷鋒后面200km附近經(jīng)常出現(xiàn)大風(fēng)，可造成一次6~10級(jí)（10.8~24.4m/s）大風(fēng)。對(duì)風(fēng)能資源利用來說，這就是一次可以有效利用風(fēng)能的極好機(jī)會(huì)。強(qiáng)冷空氣除在冬季入侵外，在春秋也常有入侵。

從中國三北地區(qū)向南，由于冷空氣從源地長途跋涉，到達(dá)中國黃河中下游再到長江中下游，地面氣溫有所升高，原來寒冷干燥的氣流性質(zhì)逐漸改變?yōu)檩^冷濕潤的氣流性質(zhì)（稱為變性），也就是冷空氣逐漸變暖，這時(shí)氣壓差也變小，所以，風(fēng)速由北向南逐漸減少。

中國東部處于蒙古高壓的東側(cè)和東南側(cè)，所以盛行風(fēng)向都是偏北風(fēng)，只是視其相對(duì)蒙古高壓中心的位置不同而實(shí)際偏北的角度有所區(qū)別。三北地區(qū)多為西北風(fēng)，秦嶺黃河下游以南的廣大地區(qū)盛行風(fēng)向偏于北和東北之間。春季（3~5月份）是由冬季到夏季的過渡季節(jié)，由于地面溫度不斷升高，從4月份開始，中、高緯度地區(qū)的蒙古高壓強(qiáng)度已明顯地減弱，而這時(shí)印度低壓（大陸低壓）及其向東北伸展的低壓槽控制了中國的華南地區(qū)，與此同時(shí)，太平洋副熱帶高壓也由菲律賓向北逐漸侵入中國華南沿海一帶，這幾個(gè)高、低氣壓系統(tǒng)的強(qiáng)弱、消長都對(duì)中國風(fēng)能資源有著重要的影響。

在春季，這幾種氣流在中國頻繁地交替。春季是中國氣旋活動(dòng)最多的季節(jié)，特別是中國東北及內(nèi)蒙古一帶氣旋活動(dòng)頻繁，造成內(nèi)蒙古和東北的大風(fēng)和沙暴天氣。同樣，江南氣旋活動(dòng)也較多，但造成的卻是春雨和華南雨季。這也是三北地區(qū)風(fēng)資源較南方豐富的一個(gè)主要原因。全國春季風(fēng)向已不如冬季那樣穩(wěn)定少變，但仍以偏北風(fēng)占優(yōu)勢(shì)，風(fēng)的偏南分量顯著地增加。

夏季（6~8月份），東南地面氣壓分布形勢(shì)與冬季完全相反。這時(shí)中、高緯度的蒙古高壓向北退縮得已不明顯，相反地，印度低壓繼續(xù)發(fā)展控制了亞洲大陸，為全國最盛的季風(fēng)。太平洋副熱帶高壓此時(shí)也向北擴(kuò)展和單路西伸。可以說，東亞大陸夏季的天氣氣候變化基本上受這兩個(gè)環(huán)流系統(tǒng)的強(qiáng)弱和相互作用所制約。

隨著太平洋副熱帶高壓的西伸北跳，中國東部地區(qū)均可受到它的影響，此高壓的西部為東南氣流和西南氣流,帶來了豐富的降水，但高、低壓間壓差小，風(fēng)速不大。夏季是全國全年風(fēng)速最小的季節(jié)。

夏季，大陸為熱低壓，海上為高壓，高、低壓間的等壓線在中國東部幾乎呈南北向分布的形式，所以夏季盛行偏南風(fēng)。

秋季（9~11月份）是由夏季到冬季的過渡季節(jié)，這時(shí)印度低壓和太平洋高壓開始明顯衰退，而中高緯度的蒙古高壓又開始活躍起來。冬季風(fēng)來得迅速且維持穩(wěn)定。此時(shí)，中國東南沿海已逐漸受到蒙古高壓邊緣的影響，華南沿海由夏季的東南風(fēng)轉(zhuǎn)為東北風(fēng)。三北地區(qū)秋季已確立了冬季風(fēng)的形勢(shì)，各地多為穩(wěn)定的偏北風(fēng)，風(fēng)速開始增大。

2）東南沿海及其島嶼風(fēng)能資源豐富的地區(qū)

東南沿海及其島嶼地區(qū)的天氣氣候背景與三北地區(qū)基本相同，所不同的是海洋與大陸由兩種截然不同的物質(zhì)所組成，二者的輻射與熱力學(xué)過程都存在著明顯的差異。大陸與海洋間的能量交換不大相同，海洋溫度變化慢，具有明顯的熱惰性，大陸溫度變化快，具有明顯的熱敏感性，冬季海洋較大陸溫暖，夏季較大陸涼爽。在冬季，每當(dāng)冷空氣到達(dá)海上時(shí)，風(fēng)速增大，再加上海洋表面平滑，摩擦力小，一般風(fēng)速比大陸增大2~4m/s。

東南沿海受臺(tái)灣海峽的影響，每當(dāng)冷空氣南下到達(dá)時(shí)，由于狹管效應(yīng),使風(fēng)速增大，因此是風(fēng)能資源最佳的地區(qū)。

在沿海，每當(dāng)夏秋季節(jié)均會(huì)受到熱帶氣旋的影響。中國現(xiàn)行的熱帶氣旋名稱和等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表3－1。當(dāng)熱帶氣旋風(fēng)速達(dá)到8級(jí)（17.2m/s）以上時(shí)，稱為臺(tái)風(fēng)。臺(tái)風(fēng)是一種直徑為1000km左右的圓形氣旋，中心氣壓極低，距臺(tái)風(fēng)中心10~30km的范圍內(nèi)是臺(tái)風(fēng)眼，臺(tái)風(fēng)眼中天氣極好，風(fēng)速很小。在臺(tái)風(fēng)眼外壁，天氣最為惡劣，最大破壞風(fēng)速就出現(xiàn)在這個(gè)范圍內(nèi)，所以一般只要不是在臺(tái)風(fēng)正面直接登陸的地區(qū)，風(fēng)速一般小于10級(jí)（26m/s），它的影響平均有800~1000km的直徑范圍。每當(dāng)臺(tái)風(fēng)登陸后，沿?？梢援a(chǎn)生一次大風(fēng)過程，而風(fēng)速基本上在風(fēng)力機(jī)切出風(fēng)速范圍之內(nèi)，這是一次滿發(fā)電的好機(jī)會(huì)。表3－1熱帶氣旋名稱和等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)風(fēng)登陸在中國每年約有11次，而廣東每年臺(tái)風(fēng)登陸最多，為3.5次，海南次之，為2.1次，臺(tái)灣為1.9次，福建為1.6次，廣西、浙江、上海、江蘇、山東、天津、遼寧等合計(jì)僅為1.7次。由此可見，臺(tái)風(fēng)影響的地區(qū)由南向北遞減。對(duì)從臺(tái)灣路徑通過的次數(shù)進(jìn)行等頻率線圖的分析（如圖3－7所示），可知南海和東海沿海頻率遠(yuǎn)大于北部沿海，對(duì)風(fēng)能資源來說也是南大北小。由于臺(tái)風(fēng)登陸后中心氣壓升高極快，再加上東南沿海東北—西南走向的山脈重疊，所以形成的大風(fēng)僅在距海岸幾十公里內(nèi)。風(fēng)能功率密度由300W/m2銳減到100W/m2以下。圖3－7

5~10月臺(tái)風(fēng)頻率

綜上所述，冬春季的冷空氣、夏秋的臺(tái)風(fēng)都能影響到沿海及其島嶼。相對(duì)于內(nèi)陸來說，這里形成了風(fēng)能豐富帶。由于臺(tái)灣海灣的狹管效應(yīng)的影響，東南沿海及其島嶼是風(fēng)能最佳豐富區(qū)。中國的海岸線有18000多公里，有6000多個(gè)島嶼和近海廣大的海域，是風(fēng)能大、有開發(fā)利用前景的地區(qū)。

3）內(nèi)陸風(fēng)能資源豐富地區(qū)

在兩個(gè)風(fēng)能豐富帶之外，我國內(nèi)陸其他地區(qū)風(fēng)能功率密度一般較小，但是在一些地區(qū)，由于湖泊和特殊

地形的影響，風(fēng)能比較豐富，如鄱陽湖附近較周圍地區(qū)風(fēng)能就大，湖南衡山、湖北九宮山、利川、安徽的黃山、云南太華山等較平地相比風(fēng)能大。但是這些只限于很小范圍之內(nèi)，不像兩大帶那樣大的面積。

青藏高原海拔在4000m以上，這里的風(fēng)速比較大，但空氣密度小，如海拔4000m以上的空氣密度大致為地面的0.67倍。也就是說，同樣是8m/s的風(fēng)速，在平原上風(fēng)能功率密度為313.6W/m2，而在海拔4000m只為209.9W/m2，所以對(duì)風(fēng)能利用來說仍屬一般地區(qū)。

5.中國風(fēng)速變化特性

1）風(fēng)速年變化

各月平均風(fēng)速的空間分布與造成風(fēng)速的天氣氣候背景和地形以及海陸分布等有直接關(guān)系，就全國而論，各地年變化有差異，如三北地區(qū)和黃河中下游，全國風(fēng)速最大的時(shí)期絕大部分出現(xiàn)在春季，風(fēng)速最小出現(xiàn)在秋季。以內(nèi)蒙古多倫為代表，最大風(fēng)速在3~5月份，最小風(fēng)速在7~9月份。冬季冷空氣經(jīng)三北地區(qū)奔騰而下，風(fēng)速也較大，但春季不但有冷空氣經(jīng)過，而且春季氣旋活動(dòng)頻繁，故而春季比冬季風(fēng)要大些。北京也是3月份和4月份全年風(fēng)速最大，7~9月份風(fēng)速最小。

但在新疆北部，風(fēng)速年變化情況和其他地區(qū)有所不同，而是春末夏初（4~7月份）風(fēng)速最大，冬季風(fēng)最小，這是由于冬季處于蒙古高壓盤踞之下，冷空氣聚集在盆地之下，下層空氣極其穩(wěn)定，風(fēng)速最小，而在4~7月份，特別是在5、6月份，冷鋒和高空低槽過境較多，地面溫度較高，冷暖平流很強(qiáng)，容易產(chǎn)生較大氣壓梯度，所以風(fēng)速最大。

東南沿海全年風(fēng)速變化，如圖3－8所示。以福建平潭為例，夏季風(fēng)較小，秋季風(fēng)速最大。由于秋季北方冷高壓加強(qiáng)南下，海上臺(tái)風(fēng)活躍北上，東南沿海氣壓梯度很大，再

加上臺(tái)灣海峽的狹管效應(yīng)，因此風(fēng)速最大；初夏因受到熱帶高壓脊的控制，風(fēng)速最小。圖3－8風(fēng)速年變化

青藏高原以班戈為代表，春季風(fēng)速最大，夏季最小。在春季，由于高空西風(fēng)氣流穩(wěn)定維持在這一地區(qū)，高空動(dòng)量下傳，所以風(fēng)速最大；在夏季，由于高空西風(fēng)氣流北移，地面為熱低壓，因此風(fēng)速較小。

2）風(fēng)速日變化

風(fēng)速日變化即風(fēng)速在一日之內(nèi)的變化，一般有陸地上和海上日變化兩種類型，主要與下面的性質(zhì)有關(guān)。

陸地上風(fēng)速日變化是白天風(fēng)速大，午后14時(shí)左右達(dá)到最大，晚上風(fēng)速小，在黎明前6時(shí)左右風(fēng)速最小。這是由于白天地面受熱，特別是午后地面最熱，上下對(duì)流旺盛，高層風(fēng)動(dòng)量下傳，使下層空氣流動(dòng)加速，而在午后加速最多，因此風(fēng)速最大；日落后地面迅速冷卻，氣層趨于穩(wěn)定，風(fēng)速逐漸減小，到日出前地面氣溫最低，有時(shí)形成逆風(fēng)，因此風(fēng)速最小。

海上風(fēng)速日變化與陸地相反，白天風(fēng)速小，午后14時(shí)左右最小，夜間風(fēng)速大，清晨6時(shí)左右風(fēng)速最大，如圖3－9所示（這是渤海鉆井平臺(tái)的觀測(cè)資料）。地面風(fēng)速日變化是因高空動(dòng)量下傳引起的，而動(dòng)量下傳又與海陸晝夜穩(wěn)定變化不同有關(guān)。海上夜間海溫高于氣溫，大氣層熱穩(wěn)定度比白天大，正好與陸地相反。另外，海上風(fēng)速日變化的幅度較陸面小，這是因?yàn)楹Ｃ嫔纤疁睾蜌鉁氐娜兆兓急汝懙匦?，陸地上白天?duì)流強(qiáng)于海上夜間。

在近海地區(qū)或海島上，風(fēng)速的變化既受海面的影響又受陸地的影響，所以風(fēng)速日變化并不明確地屬于哪一類型。稍大的一些島嶼一般受陸地影響較大，白天風(fēng)速較大，如成山頭、南澳、西沙等。但有些較大的島嶼，如平潭島，風(fēng)速日變化幾乎已經(jīng)接近陸上風(fēng)速日變化的類型。

風(fēng)速的日變化還隨著高度的增加而改變，如武漢陽邏鐵塔高146m，風(fēng)的梯度觀測(cè)有9層，即5、10、15、20、30、62、87、119、146m。經(jīng)5年觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)不同高度風(fēng)速日變化的特點(diǎn)很不相同，如圖3－10所示。圖3－9風(fēng)速日變化圖3－10武漢陽邏鐵塔平均風(fēng)速日變化

由圖3－11可見，大致在15~30m處是分界線，在30m以下的日變化是白天風(fēng)大，夜間風(fēng)小，在30m以上隨高度的增加，風(fēng)速日變化逐漸由白天風(fēng)大向夜間風(fēng)大轉(zhuǎn)變，到62m以上基本上是白天風(fēng)小，夜間風(fēng)大。

這一結(jié)果與北方錫林浩特鐵塔4年的實(shí)測(cè)資料的結(jié)果有著明顯的差異，如圖3－12所示。圖3－11風(fēng)速日變化分界線圖3－12錫林浩特鐵塔年平均日變化

由圖3－12可見,在低層10~118m，都是日出后風(fēng)速單調(diào)上升，直到午后達(dá)到最大，但達(dá)到最大的時(shí)間，低層10m為14時(shí)，隨高度增加向后推移，到118m，最大的時(shí)間在17時(shí)左右。此后，隨著午后太陽輻射強(qiáng)度的減弱，上下層交換又隨之減弱，相應(yīng)風(fēng)速又開始下降，在7時(shí)左右風(fēng)速最小，且隨高度向后推移，在118m高度，風(fēng)速最小值在9時(shí)左右。

這兩地的風(fēng)速隨高度日變化不同，主要是由于武漢陽邏上下動(dòng)量交換遠(yuǎn)比錫林浩特交換高度低。該結(jié)果同時(shí)也表明，中國北方地區(qū)晝夜溫度場(chǎng)變化大，白天湍流交換比長江沿岸要大得多。因此在風(fēng)能利用中，必須掌握各地不同高度風(fēng)速日的變化規(guī)律。

6.風(fēng)速隨高度變化

在近地層中，風(fēng)速隨高度有顯著的變化。造成風(fēng)在近地層中的垂直變化的原因有動(dòng)力因素和熱力因素，前者主要來源于地面的摩擦效應(yīng)，后者則與近地層大氣垂直穩(wěn)定度有關(guān)系。

風(fēng)速與高度的關(guān)系式為（3-1）式中：

為風(fēng)速隨高度變化系數(shù)，u為高度為Z時(shí)的風(fēng)速，u是高度為Z時(shí)的風(fēng)速。

一般直接應(yīng)用風(fēng)速隨高度變化的指數(shù)律，以10m為基準(zhǔn)，訂正到不同高度上的風(fēng)速，在計(jì)算風(fēng)能。

α值的變化與地面粗糙度有關(guān)。地面粗糙度是隨地面的粗糙程度變化的常數(shù)。在不同的地面粗糙度的情況下，風(fēng)速隨高度變化差異很大。粗糙地面比光滑地面更易在近地層中形成湍流，使得垂直混合更為充分，混合作用加強(qiáng)，近地層風(fēng)速梯度就減小，而梯度風(fēng)的高度就較高。也就是說，粗糙的地面比光滑的地面到達(dá)梯度風(fēng)的高度要高，所以使得粗糙的地面層中的風(fēng)速比光滑地面的風(fēng)速小。

指數(shù)α值一般為1/15~1/4，最常用的是1/7（即α=0.142）。1/7代表氣象站地面粗糙度。為了便于比較，表3-2中給出了α=0.12、0.142、0.16時(shí)的三種不同地面粗糙度。表3-2風(fēng)速隨高度變化系數(shù)離地高度（m）0.120.1420.16離地高度（m）0.120.1420.16101.101.101.00551.231.271.31151.051.061.07601.241.291.33201.091.101.12651.251.301.35251.121.141.16701.261.321.37301.141.171.19751.27.1.331.38351.161.191.22801.281.341.39401.181.221.25851.291.361.41451.201.241.27901.301.371.42501.211.261.291001.321.391.45

α值也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)2層以上的資料推算出來，其計(jì)算公式為(3-2)3.1.2風(fēng)能資源的計(jì)算及其分布

如前所述，風(fēng)形成的主要原因是太陽輻射造成地球各部分受熱不均勻，并因此形成了大氣環(huán)流以及各種局地環(huán)流。除了這些有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)形式之外，自然界的大氣運(yùn)動(dòng)還有復(fù)雜而無規(guī)則的亂流運(yùn)動(dòng)。這就給風(fēng)能資源潛力的估計(jì)、風(fēng)電場(chǎng)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(qiáng)的規(guī)律可循。

1.中國風(fēng)能資源總儲(chǔ)量的估計(jì)

風(fēng)能利用究竟有多大的發(fā)展前景呢？這就需要對(duì)它的總儲(chǔ)量有一個(gè)科學(xué)的估計(jì)。這樣在制訂今后可以發(fā)展的各種能源比例上就可以進(jìn)行更合理的配置，充分發(fā)揮其效益。

1948年普特南姆（Putnam）對(duì)全球風(fēng)能儲(chǔ)量進(jìn)行了估算，他認(rèn)為大氣總能量約為1014MW。這個(gè)數(shù)量得到了世界氣象組織的認(rèn)可，并在1954年世界氣象組織出版的技術(shù)報(bào)告第4期《來自于風(fēng)的能量》中進(jìn)一步假定上述數(shù)量的一千萬分之一是可為人們所利用的，即有107MW為可利用的風(fēng)能。這就相當(dāng)于10000個(gè)每座發(fā)電量為100萬千瓦的利用燃料發(fā)電的發(fā)電廠的發(fā)電量。這個(gè)數(shù)量相當(dāng)于當(dāng)今全世界能源的總需求量。馮·阿爾克斯（W.S.VonArx）在1974年提出，上述的量過大，這個(gè)量只是一個(gè)儲(chǔ)藏量，對(duì)于再生能源來說，必須跟太陽能的流入量對(duì)它的補(bǔ)充相平衡，其補(bǔ)充率較小時(shí)，將會(huì)衰竭，因此人們關(guān)心的是可利用的風(fēng)的動(dòng)能。他認(rèn)為，地球上可以利用的風(fēng)能為106MW。即使如此，可利用風(fēng)能的數(shù)量仍舊是地球上可利用的水力能源的10倍。因此在再生能源中，風(fēng)能是一種非?？捎^的、有前途的能源。古斯塔夫遜在1979年從另一個(gè)角度推算了風(fēng)能利用的極限。他根據(jù)風(fēng)能從根本上說來源于太陽能這一理論，認(rèn)為可以通過估計(jì)到達(dá)地球表面的太陽輻射流有多少能夠轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)能，來得知有多少可利用的風(fēng)能。根據(jù)他的推算，到達(dá)地球表面的太陽輻射流是1.8×1017W，經(jīng)折算后也就是350W/m2，其中轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)的轉(zhuǎn)換率η=0.02，可以獲得的風(fēng)能為3.6×1015W，即7W/m2。在整個(gè)大氣層中邊界層中，風(fēng)能占總風(fēng)能的35%，也就是邊界層中能獲得的風(fēng)能為1.3×1015W，即2.5W/m2。作為一種穩(wěn)妥的估計(jì)，在近地面層中的風(fēng)能提取極限是它的1/10，即0.25W/m2，全球的總量就是1.3×1014W。

根據(jù)全國年平均風(fēng)能功率密度分布圖，利用每平方米25、50、100、200W等各等值線區(qū)間的面積乘以各等級(jí)風(fēng)能功率密度，然后求其各區(qū)間積之和，可計(jì)算出全國10m高度處風(fēng)能儲(chǔ)量為322.6×1010W，即32.26億kW，這個(gè)儲(chǔ)量稱作理論可開發(fā)量?？紤]風(fēng)力機(jī)間的湍流影響，一般取風(fēng)力機(jī)間距為葉輪直徑的10倍，因此按上述總量的1/10估計(jì)，并考慮風(fēng)力機(jī)葉片的實(shí)際掃掠面積（直徑為1m葉輪的面積為0.52×π=

0.785m2），再乘以掃掠面積系數(shù)0.785，即為實(shí)際可開發(fā)量。由此，便可得到中國風(fēng)能實(shí)際可開發(fā)量為2.53×1011W，即2.53億kW。這個(gè)值不包括海面上的風(fēng)能資源量，同時(shí)僅是10m高度層上的風(fēng)能資源量，而非整層大氣或整個(gè)近地層內(nèi)的風(fēng)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(fā)利用的風(fēng)能資源量為7.5億kW。

2.風(fēng)能的計(jì)算

風(fēng)能的利用主要就是將它的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能，因此計(jì)算風(fēng)能的大小也就是計(jì)算氣流所具有的動(dòng)能。

在單位時(shí)間內(nèi)流過垂直于風(fēng)速截面積A（m2）的風(fēng)能，即風(fēng)功率為

(3-3)

為了衡量一個(gè)地方風(fēng)能的大小，評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)的風(fēng)能潛力，風(fēng)能密度是最方便和有價(jià)值的指標(biāo)。風(fēng)能密度是氣流在單位時(shí)間內(nèi)垂直通過單位截面積的風(fēng)能。將式（3-3）除以相應(yīng)的面積A當(dāng)A=1時(shí)，便得到風(fēng)功率密度的公式，也稱風(fēng)能密度公式，即（3-4）

由于風(fēng)速是一個(gè)隨機(jī)性很大的量，必須通過一定長度的觀測(cè)來了解它的平均狀況。因此在一段時(shí)間長度內(nèi)的平均風(fēng)能密度，可以將上式對(duì)時(shí)間積分后平均。

當(dāng)知道了在T時(shí)間長度內(nèi)風(fēng)速v的概率分布P（v）后，平均風(fēng)能密度便可計(jì)算出來。

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

需要根據(jù)一個(gè)確定的風(fēng)速來確定風(fēng)力機(jī)的額定功率，這個(gè)風(fēng)速稱為額定風(fēng)速。在這種風(fēng)速下，風(fēng)力機(jī)功率達(dá)到最大。風(fēng)力工程中，把風(fēng)力機(jī)開始運(yùn)行做功時(shí)的這個(gè)風(fēng)速稱為啟動(dòng)風(fēng)速或切入風(fēng)速。風(fēng)速達(dá)到某一極限時(shí)，風(fēng)力機(jī)有損壞的危險(xiǎn)，必須停止運(yùn)行，這一風(fēng)速稱為停機(jī)風(fēng)速或切出風(fēng)速。因此，在統(tǒng)計(jì)風(fēng)速資料計(jì)算風(fēng)能潛力時(shí)，必須考慮這兩種因素。通常將切入風(fēng)速到切出風(fēng)速之間的風(fēng)能稱為有效風(fēng)能。因此還必須引入有效風(fēng)能密度這一概念，它是有效風(fēng)能范圍內(nèi)的風(fēng)能平均密度。

3.風(fēng)能資源分布

風(fēng)能資源潛力的多少是風(fēng)能利用的關(guān)鍵。

利用上述方法計(jì)算出的全國有效風(fēng)能功率密度和可利用小時(shí)數(shù)（如圖3-13和圖3-14所示）代表了風(fēng)能資源的豐歉。圖3-13中國有效風(fēng)能功率密度（單位為W/m2）圖3-14中國風(fēng)能資源分布圖

1）大氣環(huán)流對(duì)風(fēng)能分布的影響

東南沿海及東海、南海諸島，因受臺(tái)風(fēng)的影響，最大年平均風(fēng)速在5m/s以上。大陳島臺(tái)山可達(dá)8m/s以上，風(fēng)能也最大。東南海沿岸有效風(fēng)能密度≥200W/m2，其等值線平行于海岸線，有效風(fēng)能出現(xiàn)時(shí)間百分率可達(dá)80%~90%。風(fēng)速≥3m/s的風(fēng)全年出現(xiàn)累積小時(shí)數(shù)為7000~8000h；風(fēng)速≥6m/s的風(fēng)有4000h左右。島嶼上的有效風(fēng)能密度為200~500W/m2,風(fēng)能可以集中利用。福建的臺(tái)山、東山、平潭、三沙，臺(tái)灣的澎湖灣，浙江的南麂山、大陳、嵊泗等島，有效風(fēng)能密度都在500W/m2左右，風(fēng)速≥3m/s的風(fēng)積累為800h，換言之，平均每天可以有21h以上的風(fēng)速≥3m/s。但在一些大島，如臺(tái)灣和海南，又具有獨(dú)特的風(fēng)能分布特點(diǎn)。臺(tái)灣風(fēng)能南北兩端大，中間?。缓Ｄ衔鞑看笥跂|部。

內(nèi)蒙古和甘肅北部地區(qū)，高空終年在西風(fēng)帶的控制下。冬半年地面在蒙古高原東南緣，冷空氣南下，因此，總有5~6級(jí)以上的風(fēng)出現(xiàn)在春夏和夏秋之交。另外，這些地區(qū)氣旋活動(dòng)頻繁，當(dāng)氣旋過境時(shí)，風(fēng)速也較大。這一地區(qū)年平均風(fēng)速在4m/s以上，最高可達(dá)6m/s；有效風(fēng)能密度為200~300W/m2，風(fēng)速≥3m/s的風(fēng)全年積累小時(shí)數(shù)在5000h以上，風(fēng)速≥6m/s的風(fēng)在2000h以上。其規(guī)律從北向南遞減。其分布范圍較大，從面積來看，是中國風(fēng)能連成一片的最大地帶。

云、貴、川、陜等省及甘南、豫西、鄂西和湘西等地區(qū)的風(fēng)能較小。這些地區(qū)受西藏高原的影響，冬半年高空在西風(fēng)帶的死水區(qū)，冷空氣沿東亞大槽南下，很少影響這里，夏半年海上來的天氣系統(tǒng)也很難到這里，所以風(fēng)速較弱，年平均風(fēng)速約在2.0m/s以上，有效風(fēng)能密度在500W/m2以下，有效風(fēng)力出現(xiàn)時(shí)間僅20%左右。風(fēng)速≥3m/s的風(fēng)全年出現(xiàn)累積小時(shí)數(shù)在2000h以下，風(fēng)速≥6m/s的風(fēng)在150h以下。在四川盆地和西雙版納年平均風(fēng)速最小，小于1m/s。這里全年靜風(fēng)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(fēng)能密度僅30W/m2左右。風(fēng)速≥3m/s的風(fēng)全年出現(xiàn)累積小時(shí)數(shù)僅3000h以上，風(fēng)速≥6m/s的風(fēng)僅20多小時(shí)。換句話說，這里平均每18天以上才有1次歷時(shí)10min、風(fēng)速≥6m/s的風(fēng)。

2）海陸和水體對(duì)風(fēng)能分布的影響

中國沿海風(fēng)能都比內(nèi)陸大，湖泊都比周圍的湖濱大。這是由于氣流流經(jīng)海面或湖面摩擦力較少，風(fēng)速較大。由沿海向內(nèi)陸或由湖面向湖濱，動(dòng)能很快消耗，風(fēng)速急劇減小，故有效風(fēng)能密度利用率小，風(fēng)速≥3m/s和風(fēng)速≥6m/s的風(fēng)的全年積累小時(shí)的等值線不但平行于海岸線和湖岸線，而且數(shù)值相差很大。福建海濱是中國風(fēng)能分布豐富地帶，而距海50km處，風(fēng)能反變?yōu)樨毞Φ貛АＩ綎|榮成和文登兩地相差不到40km，而榮城有效風(fēng)能密度為240W/m2，文登為141W/m2，相差59%。臺(tái)風(fēng)風(fēng)速隨著登陸距離削減情況的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3-15所示。臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)在海岸上的地形如山脈、海拔高度和一般地形等都對(duì)風(fēng)速有不同影響。

圖3-15臺(tái)風(fēng)登陸風(fēng)速衰減百分比

3）地形對(duì)風(fēng)能分布的影響

（1）山脈對(duì)風(fēng)能的影響。氣流在運(yùn)行中受到地形阻礙的影響，不但會(huì)改變風(fēng)速，還會(huì)改變方向。其變化與地形形狀有密切關(guān)系。一般范圍較大的地形對(duì)氣流有屏障的作用，使氣流出現(xiàn)爬繞運(yùn)動(dòng)。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(fēng)能密度線和可利用小時(shí)數(shù)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。所有東南沿海式山脈，山的迎風(fēng)面風(fēng)能豐富，風(fēng)能密度為200W/m2，風(fēng)速≥3m/s的風(fēng)出現(xiàn)的小時(shí)數(shù)約為7000~8000h；而在山區(qū)及其背風(fēng)面風(fēng)能密度在50W/m2以下，風(fēng)速≥3m/s的風(fēng)出現(xiàn)的小時(shí)數(shù)約為1000~2000h，難以利用。四川盆地和塔里木盆地由于天山和秦嶺山脈的阻擋為風(fēng)能不能利用區(qū)。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(fēng)能很小，不值得利用。

（2）海拔高度對(duì)風(fēng)能的影響。由于地面摩擦消耗運(yùn)動(dòng)氣流的能量，在山地風(fēng)速是隨著海拔高度增加而增加的。如表3-3所示，對(duì)高山與山麓年平均風(fēng)速進(jìn)行對(duì)比可知，每上升100m，風(fēng)速約增加0.11~0.34m/s。

事實(shí)上，在復(fù)雜山地，很難分清地形和海拔高度的影響，二者往往交織在一起，如北京八達(dá)嶺風(fēng)力發(fā)電試驗(yàn)站同時(shí)觀測(cè)的平均風(fēng)速分別為2.8m/s和5.8m/s，相差3.0m/s。后者風(fēng)大，一是由于它位于燕山山脈的一個(gè)南北向的低地，二是由于它的海拔比北京高500多米，是二者同時(shí)作用的結(jié)果。

青藏高原海拔在4000m以上，風(fēng)速比周圍地區(qū)大，但其有效風(fēng)能密度較小，在150W/m2左右。這是由于青藏高原海拔高，空氣密度較小，因此風(fēng)能較小，如在4000m的空氣密度大致為地面的67%。也就是說，同樣是8m/s的風(fēng)速，在平地海拔500m以下有效風(fēng)能密度為313.6W/m2，而在4000m只有209.9W/m2。表3-3山頂與山麓的風(fēng)速對(duì)比站名海拔高度（m）年平均風(fēng)速（m/s）每百米遞增率（m/s）站名海拔高度（m）年平均風(fēng)速（m/s）每百米遞增率（m/s）泰山

泰安153414051296.22.32.7

0.25

衡山

衡陽126611651016.22.822.2

0.34

五臺(tái)山

原平289620598379.03.912.3

0.33

廬山

九江11641132325.51.92.9

0.23

黃山

屯溪184016961475.74.751.2

0.27華山

渭南206517163494.31.732.5

0.11

(3)中小地形的影響。蔽風(fēng)地形風(fēng)速較小，狹管地形風(fēng)速增大。明顯的狹管效應(yīng)地區(qū)如新疆的阿拉山口和達(dá)坂城、甘肅的安西、云南的下關(guān)等，這些地方風(fēng)速都明顯增大。

即使在平原上的河谷，如松花江、汾河、黃河和長江等河谷，風(fēng)能也比周圍地區(qū)大。

海峽也是一種狹管地形，與盛行風(fēng)向一致時(shí)，風(fēng)速較大，如臺(tái)灣海峽中的澎湖列島，年平均風(fēng)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(fēng)速為5.9m/s。

(4)局地風(fēng)對(duì)風(fēng)能的影響是不可低估的。在一個(gè)小山丘前，氣流受阻，強(qiáng)迫抬升，所以在山頂流線密集，風(fēng)速加強(qiáng)。山的背風(fēng)面，因?yàn)榱骶€輻射，風(fēng)速減小。有時(shí)氣流過一個(gè)障礙，如小山包等，其產(chǎn)生的影響在下方5~10km的范圍。有些低層風(fēng)是由于地面粗糙度的變化形成的。

4.風(fēng)能區(qū)劃

劃分風(fēng)能區(qū)劃的目的是根據(jù)各地風(fēng)能資源的差異，合理地開發(fā)利用。

1）區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)

風(fēng)能分布具有明顯的地域性的規(guī)律，這種規(guī)律反映了大型天氣系統(tǒng)的活動(dòng)和地形作用的綜合影響。

第一級(jí)區(qū)劃選用能反映風(fēng)能資源多寡的指標(biāo)，即利用年有效風(fēng)能密度和年風(fēng)速≥3m/s的風(fēng)的年積累小時(shí)數(shù)的多少將全國分為4個(gè)區(qū)，見表3-4。表3-4風(fēng)能區(qū)劃指標(biāo)區(qū)別

指標(biāo)豐富區(qū)較豐富區(qū)可利用區(qū)貧乏區(qū)年有效風(fēng)能密度（W/m）200200~150150~5050風(fēng)速

3m/s的年小時(shí)數(shù)（h）50005000~40004000~20002000占全國面積（%）8185024

第二級(jí)區(qū)劃指標(biāo)選用一年四季中各季風(fēng)能大小和有效風(fēng)速出現(xiàn)的小時(shí)數(shù)。

第三級(jí)區(qū)劃指標(biāo)采用風(fēng)力機(jī)安全風(fēng)速，即抗大風(fēng)的能力，一般取30年一遇。

根據(jù)這三種指標(biāo)，將全國分為4個(gè)大區(qū)，30個(gè)小區(qū)。

一般僅粗略地了解風(fēng)能區(qū)劃的大的分布趨勢(shì),所以按一級(jí)指標(biāo)劃分就能滿足要求。

2）中國風(fēng)能分區(qū)及各區(qū)氣候特征

按表3-5的指標(biāo)將全國劃分為4個(gè)區(qū)。

（1）風(fēng)能豐富區(qū)（Ⅰ）。

①東南沿海、山東半島和遼東半島沿海區(qū)（ⅠA）。這一地區(qū)面臨海洋，風(fēng)力較大。愈向內(nèi)陸，風(fēng)速愈小，風(fēng)力等值線與海岸線平行。從表3-5中可以看出，除了高山站——臺(tái)山、天池、五臺(tái)山、賀蘭山等外，全國氣象站風(fēng)速≥7m/s的地方都集中在東南沿海。平潭年平均風(fēng)速為8.7m/s，是全國平地上最大的。該區(qū)有效風(fēng)能密度在200W/m2以上，海島上可達(dá)300W/m2以上，其中平潭最大（749.1W/m2）。風(fēng)速≥3m/s的小時(shí)數(shù)全年有6000h以上，風(fēng)速≥6m/s的小時(shí)數(shù)在3500以上,而平潭分別可達(dá)7939h和6395h。也就是說，風(fēng)速≥3m/s的風(fēng)每天平均有21.75h。這里的風(fēng)能潛力是十分可觀的。臺(tái)山、南麂、成山頭、東山、馬祖、馬公、東沙、嵊泗等地區(qū)的風(fēng)能也都很大。表3-5全國年平均風(fēng)速≥6m/s的地點(diǎn)省名地點(diǎn)海拔高度（m）年平均風(fēng)速（m/s）省名地點(diǎn)海拔高度（m）年平均風(fēng)速吉林天池2670.011.7福建九仙山1650.06.9山西五臺(tái)山2895.89.0福建平潭24.76.8福建平潭海洋站36.18.7福建崇武21.76.8福建臺(tái)山106.98.3山東朝連島44.56.4浙江大陳島204.98.1山東青山島39.76.2浙江南麂島220.97.8湖南南岳1265.96.2山東成頭山46.17.8云南太華山2358.36.2寧夏賀蘭山2901.07.8江蘇西連島26.96.1福建東山51.27.3新疆阿拉山口282.06.1福建馬祖91.07.3遼寧海洋島66.16.1臺(tái)灣馬公22.07.3山東泰山1533.76.1浙江嵊泗79.67.2浙江括蒼山1373.96.0廣東東沙島6.07.1內(nèi)蒙寶音圖1509.46.0浙江岱山島66.87.0內(nèi)蒙前達(dá)門1510.96.0山東砣磯島66.46.9遼寧長海17.66.0

這一區(qū)風(fēng)能大的原因主要是，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(fēng)速比陸地要大。風(fēng)能的季節(jié)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(fēng)速為35~40m/s，瞬間風(fēng)速可達(dá)50~60m/s,為全國最大風(fēng)速的最大區(qū)域。而東南沿海、臺(tái)灣及南海諸島都是秋季風(fēng)能最大，冬季次之，這與秋季臺(tái)風(fēng)活動(dòng)頻率有關(guān)。

②三北部區(qū)（ⅠB）。本區(qū)是內(nèi)陸風(fēng)能資源最好的區(qū)域，年平均風(fēng)能密度在200W/m2以上，個(gè)別地區(qū)可達(dá)300W/m2。風(fēng)速≥3m/s的時(shí)間1年有5000~6000h，虎勒蓋可達(dá)7659h。風(fēng)速≥6m/s的時(shí)間1年在3000h以上，個(gè)別地點(diǎn)在4000h以上（如朱日和為4180h）。本區(qū)地面受蒙古高壓控制，每次冷空氣南下都可造成較強(qiáng)風(fēng)力，而且地面平坦，風(fēng)速梯度較小，春季風(fēng)能最大，冬季次之。30年一遇10min平均最大風(fēng)速可達(dá)30~35m/s，瞬時(shí)風(fēng)速為45~50m/s，本區(qū)地域遠(yuǎn)較沿海廣闊。

③松花江下游區(qū)（ⅠC）。本區(qū)風(fēng)能密度在200W/m2以上，風(fēng)速≥3m/s的時(shí)間有5000h，每年風(fēng)速≥6~20m/s的時(shí)間在3000h以上。本區(qū)的大風(fēng)多數(shù)是由東北低壓造成的。東北低壓春季最易發(fā)展，秋季次之，所以春季風(fēng)力最大，秋季次之。同時(shí)，這一區(qū)又處于峽谷中，北為小興安嶺，南有長白山，這一區(qū)正好在喇叭口處，風(fēng)速加大。30年一遇10min平均最大風(fēng)速為25~30m/s，瞬時(shí)風(fēng)速為40~50m/s。

（3）風(fēng)能較豐富區(qū)（Ⅱ）。

①東南沿海內(nèi)陸和渤海沿海區(qū)（ⅡD）。從汕頭沿海岸向北，沿東南沿海經(jīng)江蘇、山東、遼寧沿海到東北丹東。實(shí)際上是豐富區(qū)向內(nèi)陸的擴(kuò)展。這一區(qū)的風(fēng)能密度為150~

200W/m2，風(fēng)速≥3m/s的時(shí)間有4000~5000h，風(fēng)速≥6m/s的有2000~3500h。長江口以南，大致秋季風(fēng)能大，冬季次之；長江口以北，大致春季風(fēng)能大，冬季次之。30年一遇10min平均最大風(fēng)速為30m/s，瞬時(shí)風(fēng)速50m/s。

②三北的南部區(qū)（ⅡE）。從東北圖們江口區(qū)向西，沿燕山北麓經(jīng)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(qū)的風(fēng)能密度為150~200W/m2，風(fēng)速≥3m/s的時(shí)間有4000~4500h。這一區(qū)的東部也是豐富區(qū)向南向東擴(kuò)展的地區(qū)。在西部北疆是冷空氣的通道，風(fēng)速較大，形成了風(fēng)能較豐富區(qū)。30年一遇10min平均最大風(fēng)速為30~32m/s，瞬時(shí)風(fēng)速為45~50m/s。

③青藏高原區(qū)（ⅡF）。本區(qū)的風(fēng)能密度在150W/m2以上，個(gè)別地區(qū)（如五道梁）可達(dá)180W/m2，而3~20m/s的風(fēng)速出現(xiàn)的時(shí)間卻比較多，一般在5000h以上（如茫崖為6500h）。所以，若不考慮風(fēng)能密度，僅以風(fēng)速≥3m/s出現(xiàn)時(shí)間來進(jìn)行區(qū)劃，那么該地區(qū)應(yīng)為風(fēng)能豐富區(qū)。但是，這里海拔在3000~5000m以上，空氣密度較小。在風(fēng)速相同的情況下，這里風(fēng)能比海拔低的地區(qū)小，若風(fēng)速同樣是8m/s，上海的風(fēng)能密度為313.3W/m2，而呼和浩特為286.0W/m2，二地高度相差1000m，風(fēng)能密度則相差10%。林芝與上海高度相差約3000m，風(fēng)能密度相差30%；那曲與上海高度相差4500m，風(fēng)能密度則相差40%（見表3-6）。

由此可見，計(jì)算青藏高原（包括內(nèi)陸的高山）的風(fēng)能時(shí)，必須考慮空氣密度的影響，否則計(jì)算值將會(huì)大大偏高。青藏高原海拔較高，離高空西風(fēng)帶較近，春季隨著地面增熱，對(duì)流加強(qiáng)，上下冷熱空氣交換，使西風(fēng)急流動(dòng)量下傳，風(fēng)力較大，故這一區(qū)的春季風(fēng)能最大，夏季次之。這是由于此區(qū)夏季轉(zhuǎn)為東風(fēng)急流控制，西南季風(fēng)爆發(fā)，雨季來臨，但由于熱力作用強(qiáng)大，對(duì)流活動(dòng)頻繁且旺盛，所以風(fēng)力也較大。30年一遇10min平均最大風(fēng)速為30m/s，雖然這里極端風(fēng)速可達(dá)11~12級(jí)，但由于空氣密度小，因此風(fēng)壓只能相當(dāng)于平原的10級(jí)。表3-6不同海拔高度風(fēng)能的差異風(fēng)能密度

海拔高度（w/m）（m）風(fēng)速（m/s）4.5（上海）1063.0（呼和浩特）11984.9（阿合奇）3000（林芝）4507.0（那曲）316.515.113.511.811.0576.569.862.454.446.48313.3286.0255.5223.0190.010612.0558.6499.1435.5371.1

(3)風(fēng)能可利用區(qū)（Ⅲ）。

①兩廣沿海區(qū)（ⅢG）。這一區(qū)在南嶺以南，包括福建海岸向內(nèi)陸50~100km的地帶。風(fēng)能密度為50~100W/m2，每年風(fēng)速≥3m/s的時(shí)間為2000~4000h，基本上從東向西逐漸減小。本區(qū)位于大陸的南端，但冬季仍有強(qiáng)大冷空氣南下，其冷鋒可越過本區(qū)到達(dá)南海，使本區(qū)風(fēng)力增大。所以，本區(qū)的冬季風(fēng)最大；秋季受臺(tái)風(fēng)的影響，風(fēng)力次之。由廣東沿海的陽江以西沿海，包括雷州半島，春季風(fēng)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(qū)的春季風(fēng)力變大。秋季，臺(tái)風(fēng)對(duì)這里雖有影響，但臺(tái)風(fēng)西行路徑僅占所有臺(tái)風(fēng)的19%，臺(tái)風(fēng)影響不如冬季冷空氣影響的次數(shù)多，故本區(qū)的冬季風(fēng)能較秋季大。30年一遇10min平均最大風(fēng)速可達(dá)37m/s，瞬時(shí)風(fēng)速可達(dá)58m/s。

②大小興安嶺山地區(qū)（ⅢH）。大小興安嶺山地的風(fēng)能密度在100W/m2左右，每年風(fēng)速≥3m/s的時(shí)間為3000~4000h。冷空氣只有偏北時(shí)才能影響到這里，本區(qū)的風(fēng)力主要受東北低壓影響較大，故春、秋季風(fēng)能大。30年一遇最大10min平均風(fēng)速可達(dá)37m/s，瞬時(shí)風(fēng)速可達(dá)45~50m/s。

③中部地區(qū)（ⅢΙ）。本區(qū)為從東北長白山開始向西過華北平原，經(jīng)西北到中國最西端，貫穿中國東西的廣大地區(qū)。本區(qū)由風(fēng)能欠缺區(qū)（即以四川為中心）在中間隔開，這一區(qū)的形狀與希臘字母“π”很相像，約占全國面積的50%。“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(fēng)能密度為100~150W/m2，一年風(fēng)速≥3m/s的時(shí)間有4000h左右。這一區(qū)春季風(fēng)能最大，夏季次之。但雅魯藏布江兩側(cè)（包括橫斷山脈河谷）的風(fēng)能春季最大，冬季次之?！唉小弊中蔚暮笠话敕植荚邳S河河長江中下游。這一地區(qū)風(fēng)力主要是冷空氣南下造成的，每當(dāng)冷空氣過境，風(fēng)速明顯加大，所以這一地區(qū)的春、冬季節(jié)風(fēng)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(dá)長江以南。但這時(shí)臺(tái)風(fēng)活躍，所以這里秋季風(fēng)能相對(duì)較大，春季次之。30年一遇最大10min平均風(fēng)速為25m/s左右，瞬時(shí)風(fēng)速可達(dá)40m/s。

（4）風(fēng)能欠缺區(qū)（Ⅳ）。

①川云貴和南嶺山地區(qū)（ⅣJ）。本區(qū)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(qū)冬半年處于高空西風(fēng)帶“死水區(qū)”內(nèi)，四周的高山使冷空氣很難入侵。夏半年臺(tái)風(fēng)也很難影響到這里，所以，這一地區(qū)為全國最小風(fēng)能區(qū)，風(fēng)能密度在500W/m2以下，成都僅為35W/m2左右。風(fēng)速≥3m/s的時(shí)間在2000h以上，成都僅有400h，恩施、景洪兩地更少。南嶺山地風(fēng)能欠缺，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(zhǔn)靜止鋒，故風(fēng)力較小。南嶺北側(cè)受冷空氣影響相對(duì)比較明顯，所以冬、春季風(fēng)力最大。南嶺南側(cè)多受臺(tái)風(fēng)影響，故在冬、秋兩季風(fēng)力最大。30年一遇10min平均最大風(fēng)速20~25m/s，瞬時(shí)風(fēng)速可達(dá)30~38m/s。

②雅魯藏布江和昌都區(qū)（ⅣK）。雅魯藏布江河谷兩側(cè)為高山。昌都地區(qū)也在橫斷山脈河谷中。這兩個(gè)地區(qū)由于山脈屏障，冷、暖空氣都很難侵入，所以風(fēng)力很小。有效風(fēng)能密度在50W/m2以下，風(fēng)速≥3m/s的時(shí)間在2000h以下。雅魯藏布江風(fēng)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(fēng)速25m/s，瞬時(shí)風(fēng)速為38m/s。

③塔里木盆地西部區(qū)（ⅣL）。本區(qū)四面亦為高山環(huán)抱，冷空氣偶爾越過天山，但為數(shù)不多，所以風(fēng)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(fēng)力較大，所以盆地東部屬可利用區(qū)。30年一遇10min平均最大風(fēng)速25~28m/s，瞬時(shí)風(fēng)速為40m/s左右。

3）各風(fēng)能區(qū)中不同下墊面風(fēng)速的變化

前面已談到，4個(gè)風(fēng)能區(qū)是粗略地區(qū)分。往往在一些情況下，豐富區(qū)中可能包括較豐富的地區(qū)，較豐富區(qū)又包括豐富的地區(qū)。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(qū)。

根據(jù)大量實(shí)測(cè)資料對(duì)比分析，參照國外的資料給出了如表3-7所示的10m高4類不同地形條件下風(fēng)能功率密度和年平均風(fēng)速對(duì)比。表3-710m高4類不同地形條件下風(fēng)能功率密度和年平均風(fēng)速對(duì)比風(fēng)能區(qū)城郊?xì)庀笳荆ㄕ诒危╅_闊平原海岸帶山脊和山頂風(fēng)速風(fēng)能風(fēng)速（m/s）風(fēng)能（w/m）風(fēng)速（m/s）風(fēng)能（w/m）風(fēng)速（m/s）風(fēng)能（w/m）風(fēng)速（m/s）風(fēng)能（w/m）豐富區(qū)>4.5>225>6.0>330>6.5>372>7.0>425較豐富區(qū)3.0~4.5155~2554.5~6.0225~3305.0~6.5262~37255~7.0296~425可利用區(qū)2.0~3.095~1153.0~4,5123~2253.5~5.0155~2624.0~5.5193~296貧乏區(qū)<2.0<95<3.0<123<3.5<155<4.0<193

由表3-7可知，氣象站觀測(cè)的風(fēng)速較小，這主要是由于氣象站一般位于城市附近，受城市建筑等的影響使風(fēng)速偏小。例如，在豐富區(qū)，氣象站年平均風(fēng)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(dá)7.0m/s。這就說明地形對(duì)風(fēng)速的影響是很大的。風(fēng)能大的更為明顯，同是豐富區(qū)氣象站，風(fēng)能功率密度為225W/m2，而山頂可達(dá)425W/m2，幾乎增加了1倍。3.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)、蓄能裝置3.2.1獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)1.直流發(fā)電機(jī)

1）基本結(jié)構(gòu)及原理

較早時(shí)期的小容量風(fēng)力發(fā)電裝置一般采用小型直流發(fā)電機(jī)。在結(jié)構(gòu)上有永磁式及電勵(lì)磁式兩種類型。永磁式直流發(fā)電機(jī)利用永久磁鐵來提供發(fā)電機(jī)所需的勵(lì)磁磁通，其結(jié)構(gòu)形式如圖3-16所示；電勵(lì)磁式直流發(fā)電機(jī)則借助勵(lì)磁線圈產(chǎn)生勵(lì)磁磁通，由于勵(lì)磁繞組與電樞繞組連接方式不同，因此可分為他勵(lì)與并勵(lì)（自勵(lì)）兩種形式，其結(jié)構(gòu)形式如圖3-17所示。

在風(fēng)力發(fā)電裝置中，直流發(fā)電機(jī)由風(fēng)力機(jī)拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在直流發(fā)電機(jī)的電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，在電樞的出線端（ab兩端）若接上負(fù)載，就會(huì)有電流流向負(fù)載，即在a、b端有電能輸出，風(fēng)能也就轉(zhuǎn)換成了電能。圖3-16永磁式直流發(fā)電機(jī)圖3-17電勵(lì)磁式直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)電樞回路中各電磁物理量的關(guān)系為Ea=CeΦn

(3-5）U=Ea－IaRa

(3-6)勵(lì)磁回路中各電磁物理量的關(guān)系如下：他勵(lì)發(fā)電機(jī)：并勵(lì)發(fā)電機(jī):(3-7)(3-8)

2）發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與風(fēng)力機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系

根據(jù)比奧－沙瓦定律，直流發(fā)電機(jī)的電樞電流與發(fā)電機(jī)的磁通作用會(huì)產(chǎn)生電磁力，并由此而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩可表示為（3-9）式中：CM為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)；M為電磁轉(zhuǎn)矩；Ia為電樞電流。

電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)風(fēng)力機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)性質(zhì)的，在轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，風(fēng)力機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩平衡，即M1=M+M0

(3－10)式中：M1為風(fēng)力機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩；M0為機(jī)械摩擦阻轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，引起風(fēng)力機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩變化或者發(fā)電機(jī)的負(fù)載變化時(shí)，轉(zhuǎn)矩的平衡關(guān)系為（3-11）式中：J為風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Ω為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角速率；

為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。

由式（3－11）可見，當(dāng)負(fù)載不變，即M為常數(shù)時(shí)，若風(fēng)速增大，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速將增加；反之，轉(zhuǎn)速將下降。由式（3－5）可知，轉(zhuǎn)速的變化將導(dǎo)致感應(yīng)電勢(shì)及電樞端電壓變化，為此風(fēng)力機(jī)的調(diào)速裝置應(yīng)動(dòng)作，以調(diào)整轉(zhuǎn)速。

3）發(fā)電機(jī)與變化的負(fù)載連接時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系(3－12)圖3－18他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)與變化的負(fù)載電阻R連接當(dāng)勵(lì)磁磁通Φ及負(fù)載電阻R不變化時(shí)，K為一常數(shù)。

故M與n的關(guān)系為直線關(guān)系，對(duì)應(yīng)于不同的負(fù)載電阻，M與n有不同的線性關(guān)系，如圖3－19中的A、B、C三條直線，分別對(duì)應(yīng)負(fù)載電阻為R1、R2及R3（R3>R2>R1）時(shí)的M－n特性。并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的M－n特性與他勵(lì)的相似，只是在并勵(lì)時(shí)勵(lì)磁磁通將隨電樞端電壓的變化而改變，因此M－n的關(guān)系不再是直流關(guān)系，其M－n特性為曲線形狀，如圖3－20所示。圖3－19他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的M－n特性圖3－20并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的M－n特性

4）并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的自勵(lì)

在采用并勵(lì)發(fā)電機(jī)時(shí)，為了建立電壓，在發(fā)電機(jī)具有剩磁的情況下，必須使勵(lì)磁繞組并聯(lián)到電樞兩端的極性正確，同時(shí)勵(lì)磁回路的總電阻Rf+rf必須小于某一定轉(zhuǎn)速下的臨界值。如果并聯(lián)到電樞兩端的極性不正確（即勵(lì)磁繞組接反了），則勵(lì)磁回路中的電流所產(chǎn)生的磁勢(shì)將削減發(fā)電機(jī)中的剩余磁通，發(fā)電機(jī)的端電壓就不能建立，即電機(jī)不能自勵(lì)。

當(dāng)勵(lì)磁繞組解法正確，勵(lì)磁回路中的電阻為rf+Rf時(shí)，由圖3－21可知

勵(lì)磁回路電阻線與無載特性曲線的交點(diǎn)即為發(fā)電機(jī)自勵(lì)后建立起來的電樞端電壓U0。若勵(lì)磁回路中串入的電阻值Rf增大，則勵(lì)磁回路的電阻與無載特性曲線相切，無穩(wěn)定交點(diǎn)，不能建立穩(wěn)定的電壓。

從圖3－21可見，此時(shí)的αcr>α,對(duì)應(yīng)于此αcr的電阻值Rcr=tanαcr,此Rcr即為臨界電阻值，所以為了建立電壓，勵(lì)磁回路的總電阻Rf+rf必須小于臨界電阻值。圖3－21并勵(lì)發(fā)電機(jī)的無載特性曲線及勵(lì)磁回路電阻線

必須注意，若發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路的總電阻在某一轉(zhuǎn)速下能夠自勵(lì)，則當(dāng)轉(zhuǎn)速降低到某一轉(zhuǎn)速數(shù)值時(shí)，可能不能自勵(lì)，這是因?yàn)闊o載特性曲線與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。轉(zhuǎn)速降低時(shí)，無載特性曲線也改變了形狀，因此，對(duì)于某一勵(lì)磁回路的電阻值，就對(duì)應(yīng)地有一個(gè)最小的臨界轉(zhuǎn)速值ncr，若發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于ncr，就不能自勵(lì)。在小型風(fēng)力發(fā)電裝置中，為了使發(fā)電機(jī)建立穩(wěn)定的電壓，在設(shè)計(jì)風(fēng)電裝置時(shí)，應(yīng)考慮使使風(fēng)力機(jī)調(diào)速機(jī)構(gòu)確定的轉(zhuǎn)速值大于發(fā)電機(jī)最小的臨界轉(zhuǎn)速值。

2.交流發(fā)電機(jī)

1）永磁發(fā)電機(jī)

（1）永磁發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)。

永磁發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：轉(zhuǎn)子上無勵(lì)磁繞組，因此不存在勵(lì)磁繞組銅損耗，比同容量的勵(lì)磁發(fā)電機(jī)效率高；轉(zhuǎn)子上沒有滑環(huán)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)更安全可靠；電機(jī)的重量輕，體積小，制造工藝簡便，因此在小型及微型發(fā)電機(jī)中被廣泛采用。永磁發(fā)電機(jī)的缺點(diǎn)是電壓調(diào)節(jié)性能差。

（2）永磁材料。

永磁電機(jī)的關(guān)鍵是永磁材料，表征永磁材料性能的主要技術(shù)參數(shù)為Br（剩余磁密）、Hc（矯頑力）、BHmax（最大磁能積）等。在小型及微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中常用的永磁材料有鐵氧體及釹鐵硼兩種；由于鋁鎳鈷、釤鈷兩種材料價(jià)格高且最高磁能積不夠高，故經(jīng)濟(jì)性差，用得不多。鐵氧體材料價(jià)格較低，Hr較高，能穩(wěn)定運(yùn)行，永磁鐵的利用率較高，但氧化鐵的BHmax約為3.5×107OeGs（高奧），Br在4000Gs（高斯）以下，而釹鐵硼的BHmax為（25~40）×106OeGs，電機(jī)的總效率更高，因此在相同的輸入機(jī)械功率下，輸出的電功率可以提高，故而在微型及小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中采用此種材料的更多，但與鐵氧體比較，價(jià)格要貴些。無論是哪種永磁材料，都要先在永磁機(jī)中充磁才能獲得磁性。

（3）永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)。永磁發(fā)電機(jī)定子與普通交流電機(jī)相同，包括定子鐵芯及定子繞組。定子鐵芯槽內(nèi)安放定子三相繞組或單相繞組。

永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子按照永磁體的布置及形狀有凸極式和爪極式兩類。圖3－22所示為凸極式永磁轉(zhuǎn)子電機(jī)結(jié)構(gòu)，圖3－23為爪極式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

凸極式永磁電機(jī)磁通走向?yàn)镹極—?dú)庀丁ㄗ育X槽—?dú)庀丁猄極，如圖3－22所示，形成閉合磁通回路。圖3－22凸極式永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)圖圖3－23爪極式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

爪極式永磁電機(jī)磁通走向?yàn)椋?/p>

N極—左端爪極—?dú)庀丁ㄗ印叶俗O—S極。

所有左端爪極皆為N極，所有右端爪極皆為S極，爪極與定子鐵芯間的氣隙距離遠(yuǎn)小于左右兩端爪極之間的間隙，因此磁通不會(huì)直接由N極爪進(jìn)入S極爪而形成短路，左端爪極與右端爪極皆做成相同的形狀。

為了使永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)能達(dá)到獲得高效率及節(jié)約永磁材料的效果，應(yīng)使永磁電機(jī)在運(yùn)行時(shí)工作點(diǎn)接近最大磁能積處，此時(shí)永磁材料最節(jié)省。圖3－24表示了永磁材料的磁通密度B、磁場(chǎng)強(qiáng)度H及磁能積（BH）的關(guān)系曲線。圖中，第Ⅱ象限的曲線為永磁材料的退磁曲線，第Ⅰ象限的曲線為磁能積曲線，若永磁材料工作于a點(diǎn)，則顯而易見其磁能積（BH）接近于最大磁能積BHmax。圖3－24

B、H及BH的函數(shù)關(guān)系曲線

2）硅整流自勵(lì)交流發(fā)電機(jī)

（1）結(jié)構(gòu)、工作原理及電路圖。

硅整流自勵(lì)交流發(fā)電機(jī)的電路圖如圖3－25所示。發(fā)電機(jī)的定子由定子鐵芯和定子繞組組成。定子繞組為三相，Y形連接，放在定子鐵芯內(nèi)圓槽內(nèi)。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組（即勵(lì)磁繞組）、滑環(huán)和轉(zhuǎn)子軸組成。轉(zhuǎn)子鐵芯可做成凸極式或爪形，一般多用爪形磁極。轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組的兩端接到滑環(huán)上，通過與滑環(huán)接觸的電刷與硅整流器的直流輸出端相連，從而獲得直流勵(lì)磁電流。圖3－25硅整流自勵(lì)交流發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁調(diào)節(jié)器電路原理圖

獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)力機(jī)葉片多數(shù)是固定槳距的，當(dāng)風(fēng)力變化時(shí)，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速隨之發(fā)生變化，與風(fēng)力機(jī)相連接的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也將發(fā)生變化，因而發(fā)電機(jī)的出口電壓會(huì)發(fā)生波動(dòng)，這將導(dǎo)致硅整流器輸出的直流電壓及發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流變化，并造成勵(lì)磁磁場(chǎng)變化，這樣又會(huì)造成發(fā)電機(jī)出口電壓的波動(dòng)。這種連鎖反應(yīng)使得發(fā)電機(jī)出口電壓的波動(dòng)范圍不斷增加。顯而易見，如果電壓的波動(dòng)得不到控制，在向負(fù)載獨(dú)立供電的情況下，將會(huì)影響供電的質(zhì)量，甚至?xí)斐捎秒娫O(shè)備損壞。此外，獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)都帶有蓄電池組，電壓的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致蓄電池組過充電，從而降低了蓄電池組的使用壽命。

為了消除發(fā)電機(jī)輸出端電壓的波動(dòng)，硅整流交流發(fā)電機(jī)配有勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，如圖3－24所示，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器由電壓繼電器、電流繼電器、逆流繼電器及其所控制的動(dòng)斷觸點(diǎn)J1、J2和動(dòng)合觸點(diǎn)J3以及電阻R1、R2等組成。

（2）勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的工作原理。

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的作用是使發(fā)電機(jī)能自動(dòng)調(diào)節(jié)其勵(lì)磁電流（也即勵(lì)磁磁通）的大小，來抵消因風(fēng)速變化而導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化對(duì)發(fā)電機(jī)端電壓的影響。

當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，發(fā)電機(jī)端電壓低于額定值時(shí)，電壓繼電器V不動(dòng)作，其動(dòng)斷觸點(diǎn)J1閉合，硅整流器輸出端電壓直接施加在勵(lì)磁繞組上，發(fā)電機(jī)屬于正常勵(lì)磁狀況；當(dāng)風(fēng)速加大，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增高，發(fā)電機(jī)端電壓高于額定值時(shí)，動(dòng)斷觸點(diǎn)J1斷開，勵(lì)磁回路中被串入了電阻R1，勵(lì)磁電流及磁通隨之減小，發(fā)電機(jī)輸出端電壓也隨之下降；當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓降至額定值時(shí)，觸點(diǎn)J1重新閉合，發(fā)電機(jī)恢復(fù)到正常勵(lì)磁狀況。電壓繼電器工作時(shí)發(fā)電機(jī)端電壓與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖3－26所示。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，若用戶投入的負(fù)載過多，則可能出現(xiàn)負(fù)載電流過大，超過額定值的狀況，此時(shí)如不加以控制，使發(fā)電機(jī)過負(fù)荷運(yùn)行，會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)的使用壽命有較大影響，甚至?xí)p壞發(fā)電機(jī)的定子繞組。電流繼電器的作用就是抑制發(fā)電機(jī)過負(fù)荷運(yùn)行。電流繼電器I的動(dòng)斷觸點(diǎn)J2串接在發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁回路中，發(fā)電機(jī)輸出的負(fù)荷電流則通過電流繼電器的繞組；當(dāng)發(fā)電機(jī)的輸出電流高于額定值時(shí)，繼電器不工作，動(dòng)斷觸點(diǎn)閉合，發(fā)電機(jī)屬于正常勵(lì)磁狀況；當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電流高于額定值時(shí)，動(dòng)斷觸點(diǎn)J2斷開，電阻R1被串入勵(lì)磁回路，勵(lì)磁電流減小，從而降低了發(fā)電機(jī)輸出端電壓并減小了負(fù)載電流。電流繼電器工作時(shí)，發(fā)電機(jī)負(fù)載電流與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖3－27曲線。圖3－26電壓繼電器工作時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖3－27電流繼電器工作時(shí)，發(fā)電機(jī)負(fù)載電流與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系

為了防止無風(fēng)或風(fēng)速太低時(shí)，蓄電池組向發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組送電，即蓄電池組由充電運(yùn)行變?yōu)榉捶较蚍烹姞顩r（這不僅會(huì)消耗蓄電池所儲(chǔ)電能，還可能燒毀勵(lì)磁繞組），在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器裝置中，還裝有逆流繼電器。逆流繼電器由電壓線圈V′、電流線圈I′、動(dòng)合觸點(diǎn)J3及電阻R2組成。發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，逆流繼電器的電壓線圈及電流線圈內(nèi)流過的電流產(chǎn)生的吸力使動(dòng)合觸點(diǎn)J3閉合；當(dāng)風(fēng)力太低，發(fā)電機(jī)端電壓低于蓄電池組電壓時(shí)，繼電器電流線圈瞬間流過反向電流，此電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與電壓線圈內(nèi)流過的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用相反，而電壓線圈內(nèi)流過的電流由于發(fā)電機(jī)電壓下降也減小了，由其產(chǎn)生的磁場(chǎng)也減弱了，故由電壓線圈及電流線圈內(nèi)電流產(chǎn)生的總磁場(chǎng)的吸力減弱，使得動(dòng)合觸點(diǎn)J3斷開，從而斷開了蓄電池向發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組送電的回路。

采用勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的硅整流交流發(fā)電機(jī)，與永磁發(fā)電機(jī)比較，其特點(diǎn)是能隨風(fēng)速變化自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出端電壓，防止產(chǎn)生對(duì)蓄電池過充電，延長蓄電池的使用壽命；同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)電機(jī)的過負(fù)荷保護(hù)，但勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的動(dòng)斷觸點(diǎn)，由于其斷開和閉合的動(dòng)作較頻繁，需對(duì)觸點(diǎn)材質(zhì)及斷弧性能做適當(dāng)?shù)奶幚怼?/p>

用交流發(fā)電機(jī)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要達(dá)到在該轉(zhuǎn)速下的電壓才能夠?qū)π铍姵爻潆姟?/p>

3）電容自勵(lì)異步電機(jī)

由異步發(fā)電機(jī)的理論可知，異步發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，其勵(lì)磁電流是由電網(wǎng)供給的，此勵(lì)磁電流對(duì)異步電機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)而言是電容性電流。在風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的異步發(fā)電機(jī)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，為得到此電容性電流，必須在發(fā)電機(jī)輸出端接上電容，從而產(chǎn)生磁場(chǎng)并建立電壓。

自勵(lì)異步電機(jī)建立電壓的條件是：①發(fā)電機(jī)必須有剩磁，一般情況下，發(fā)電機(jī)都會(huì)有剩磁存在，萬一失磁，可用蓄電池充磁的方法重新獲得剩磁；②在異步發(fā)電機(jī)的輸出端并上足夠數(shù)量的電容，如圖3－28所示。圖3－28自勵(lì)異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)

從圖3－28可以看出，在異步發(fā)電機(jī)輸出端所并的電容的容抗

，只有電容C增大，使XC減小，勵(lì)磁電流I0才能增大；而只有I0增大到足夠大時(shí)，才能建立穩(wěn)定的電壓，如圖3－29中的a點(diǎn)。a點(diǎn)的位置是由發(fā)電機(jī)的無載特性曲線與電容C所確定的電容線交點(diǎn)決定的。對(duì)于建立了穩(wěn)定電壓的a點(diǎn)，應(yīng)有如下關(guān)系：

故XC的大小，也即電容C的大小決定了電容線的斜率，若電容C減小，則容抗XC增加，勵(lì)磁電流I0減小。從圖3－29中可以看出，電容線將變陡，即角度α增大，當(dāng)電容線與無載特性不相交時(shí)，就不能建立穩(wěn)定電壓。

最小的電容值為臨界電容值Ccr時(shí)，電容線稱為臨界電容線，而臨界電容線與橫坐標(biāo)軸之間的夾角為臨界角度αcr。由此可知，在獨(dú)立運(yùn)行的自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)中，發(fā)電機(jī)輸出端并聯(lián)的電容值應(yīng)大于臨界電容值Ccr，即α角度小于臨界角度αcr。圖3－29獨(dú)立運(yùn)行的自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)電壓的建立

值得注意的是,發(fā)電機(jī)的無載特性曲線與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，若發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，則無載特性曲線也隨之下降，可能導(dǎo)致自勵(lì)失敗而不能建立電壓。獨(dú)立運(yùn)行的異步發(fā)電機(jī)在帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)的電壓及頻率都將隨負(fù)載的變化及負(fù)載的性質(zhì)有較大的變化，要想維持異步電機(jī)的電壓及頻率不變，應(yīng)采取調(diào)節(jié)措施。

為了維持發(fā)電機(jī)的頻率不變，當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)載增加時(shí)，必須相應(yīng)地提高發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。因?yàn)楫?dāng)負(fù)載增加時(shí)，異步發(fā)電機(jī)的滑差絕對(duì)值|S|增大（異步電機(jī)的滑差

，在異步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n大于電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速nS，故滑差S為負(fù)值），而發(fā)電機(jī)的頻率

（p為發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)），故欲維持頻率f1不變，則nS應(yīng)維持不變，因此當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)載增加時(shí)，必須增大發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。

為了維持發(fā)電機(jī)的電壓不變，當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)載增加時(shí)，必須相應(yīng)地增加發(fā)電機(jī)端并接電容的數(shù)值。因?yàn)閷?duì)數(shù)情況下，負(fù)載為電感性的，感性電流將抵消一部分容性電流，這樣將導(dǎo)致勵(lì)磁電流減小，相當(dāng)于增加了電容線的夾角α，使發(fā)電機(jī)的端電壓下降（嚴(yán)重時(shí)可以使端電壓消失），所以必須增加并接電容的數(shù)值，以補(bǔ)償負(fù)載增加時(shí)感性電流增加而導(dǎo)致的容性勵(lì)磁電流的減少。3.2.2并網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)

1.同步發(fā)電機(jī)

1）同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)方法

（1）自動(dòng)準(zhǔn)同步并網(wǎng)。

在常規(guī)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，利用三相繞組的同步發(fā)電機(jī)是最普遍的。同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)既能輸出有功功率，又能提供無功功率，且頻率穩(wěn)定，電能質(zhì)量高，因此被電力系統(tǒng)廣泛應(yīng)用。在同步發(fā)電機(jī)中，發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)、轉(zhuǎn)速與頻率之間有著嚴(yán)格不變的固定關(guān)系，即式中,p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)；nS為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為r/min；fS為發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流點(diǎn)頻率，單位為Hz。

要把同步發(fā)電機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)同步并網(wǎng)方法連接到電網(wǎng)上，必須滿足以下四個(gè)條件：

①發(fā)電機(jī)的電壓等于電網(wǎng)的電壓，并且電壓波形相同。

②發(fā)電機(jī)的