风力发电原理之2风及风力资源

1. 风能最佳区 8%
• (2)内蒙古、甘肃北部
风能密度也在200w左右。≥3m/s风速的时间 每年有6000h以上；≥6m/s风速的时间每年为 2200-2500h。 地形较平坦，所以风能密度的范围较大，这是 利用风能的—个有利条件。风速的季节分配是东 部北边和西部春季最大，夏季次之；东部南边则 春季最大，冬季次之。 (3)黑龙江南部、吉林东部 风能密度在200w以上。≥3m/s风速的时间每 年有5000-6600h：≥6m/s风速的时间每年有 2000h左右。该地区春季风能最大，秋季次之。
• 1．风能最佳区 8%
(1)东南沿海、山东半岛、辽东半岛以及海上岛屿 这一地区面海，海面上风速比陆地大，有效风 能密度在200w以上。 ≥3m/s风速的时间，全年合6000-8000h， ≥6m/s风速的时间，有3500h以上。 这一带的风能最佳区在离海岸20km范围内。 季节分配：东南沿海、台湾及南海诸岛秋季风能 最大，冬季次之；山东、辽东半岛则是春季风能 最大，冬季次之
式：
E 1 3 W V S 2
• ρ值的大小随气压、气温和湿度等大气条件的变化而变化。
一般情况下，计算风能或风能密度是采用标准大气压下的 空气密度。由于不同地区海拔高度不同，其气温、气压不 同，因而空气密度也不同。在海拔高度500m以下，即常 温标准大气压力下， ρ可取1.225kg/m3，若海拔超过 500m，必须考虑空气密度的变化。
• •
• 世界各国根据各自的风能资源情况和风力机的运
•
行经验．制定了不同的有效风速范围及不同的风 力机切人风速、额定风速和切断风速。中国有效 风能密度所对应的风速范围是3-25m／s。 有效风能密度如图4-4所示，实际可利用的风能 与图4-4中阴影部分的面积呈比例，其计算方法 与平均风能密度的计算方法相同。
平均风能密度
3．有效风能密度
• 实际上，风能不可能全部转换成机械能，也就是说，风力
•
机不能获得全部理论上的能量。 它受到多种因素的限制；当风速由0逐渐增加达到某一风 速Vm(切人风速)时，风力机才开始提供功率。在该风速下， 风力机所得到的有用功率是整个风力机在无载荷损失时所 吸收的。 然后，风速继续增加，达到某一确定值VN(额定风速)，在 该风速下风力机提供额定功率或正常功率。超过该值时， 利用调节系统，输出功率将保持常数。 如果风速继续再增加到某一值VM(切断风速)时，出于安全 考虑，风力机应停止运转。
风况比较好？why？
• 利用风速频率分布可以计算某一地区单位面积上全
• • •
年的风能。如测出风力机安装地点的风速频率，又 已知该风力机的功率曲线，就可以算出该风力机每 年的发电量。 当然，涉及风能特性的问题还很多，这里不能细述。 例如，风速的变幅在风能利用中是要经常考虑的。 因为风速变化幅度的大小表示风速的相对稳定性。 在风能利用中，特别是对于风力发电，要选择风频 和风速变化比较稳定的地点。 在现代风能利用中，必须首先了解当地的风能特性， 进行较出较长时间的观测，并用电子计算机作出风 能特性的分析。
(107×106km2)有27％的地区年平均风速高于5m ／s(距地面10m高)。 如将这些地方用作风力发电场，则每km2的风力 发电能力最大值可达8Mw，总装机容量可达 24×l013w。 据分析，实际陆地面积中风力大于5m/s的地区， 仅4％有可能安装风力发电机组。据研究初步估计， 按目前的技术水平，可认为每km2的风能发电量 为o．33Mw，平均每年发电量为2×106kwh的可 用资源较为合理。
风速频率
是风频吗？
• 定义：又称风速的重复性，即一定时间内
某风速时数占各风速出现总时数的百分比。 • 按相差1m/s的时间间隔观测1年(1月或1天) 内各种风速吹风时数与该时间间隔内吹风 总时数的百分比，称为风速频率分布。风 速频率分布一般以图形表示，风速频率分 布曲线如图4—7所示。
从风能利用的观点看，那条曲线所代表的
4风速与风级
• 风速就是空气在单位时间内移动的距离，国际上的 • •
单位是米／秒(m ／ s)或千米／小时(km／h)。我 国现行的风速观测有定时4次2min平均风速和1日 24次自动记录10min平均风速两种。 人们日常生活中习惯用风级来表示风的强弱 ： 我国是用风级表示风大小的最早老国家之一，远在 唐代，科学家李淳风就在他的著作中提出过9级风 的划分标准，且非常直观形象，如“动叶、鸣条、 摇枝等”。 1805年，英国人总结提出了更精确的风级划分标 准，从0级到12级，共分13个等级。随后，又补充 了每级风的相应风速数据，使人们从直接景观现象 发展到依靠精确的风速数据，这一标准后来逐渐被 国际公认，称为“蒲氏风级”。
Байду номын сангаас
6．风的测量
• 主要目的：正确估计某地点可利用风能的
大小，为装备风力机提供风能数据。 • 内容：风向测量和风速测量两项 • 测量仪器：主要有风向器、杯形风速器和 三杯轻便风向风速表等 ，自动记录风速仪
风级计数仪
• 一种既能测量风速，并能统计出风强的仪器即是
• •
风级计数仪。 风级计数仪是由风杯式风速仪与电子处理装置两 部分组成。 风速计置于测风杆塔顶端，其高度应与欲安装的 风力发电装置轮毅的高度相等，而测风杆塔则应 竖在欲安装风力发电装置的地点。电子处理装置 则放置在测风杆塔上人可以看到的地方。
V H n ( ) V0 H0
式中V——高度为H(m)时的风速，m/s； V0——高度为H0(m)时的风速，m/s。 一般取H0为10m，修正指数n与地面的平整程度(粗糙度)、大气的稳定度 等因素有关，其值为1／2—1／8，在开阔、平坦、稳定度正常的地区为1／ 7。
（3）季节性变化特点明显，日夜变化也有规律
•
•
中国风力资源
• 中国风能资源十分丰富，全国风能储量约
•
•
4．8×109Mw，可开发利用的风能资源总量达 2．53亿kw。 在中国，风能资源主要分布在新疆、内蒙古等北 部地区和东部至南部沿海地带及岛屿。 中国一般用有效风能密度和年累计有效风速小时 数两个指标来表示风能资源的潜力和特征。
我国风力资源
风的方向，即风向。 空气由东向西流动叫东风，由南向北流动叫南风，以此类推。 在陆地上一般用16个方位来表示不同的风向。风向方位图如 图4-5所示。
风频？？？
• 风频是指风向的频率，即在一定时间内某风向出
• • •
现的次数占各风向出现总次数的百分比。 通常以下式计算：某风向频率=某风向出现的次数 ／风向的总观测次数×l00％； 计算出各风向的频率数值后，可以用极坐标的方 式将这些数值标在风向方位图上，把各点联线后 形成一幅代表这一段时间内风向变化的风况图， 也称为“风频玫瑰图”，如图4-6所示。 在实际的风能利用中，总是希望某一风向的频率 尽可能大些，尤其是不希望在较短的时间内出现 风向频繁变化的情况。
杯形风速计
• 杯形风速计是用于测量风速的，电子处理装置包
含10个计数器。由风速计测量到的风速信号经电子 装置处理，被输入到10个计数器，由此即可读出不 同风速区的持续时间及频率分布，如图l-10所示。 由这种风级计数仪得到的数据应定期阅读，并做好 记录，可以一周为统计单位。 这种风级计数仪的优点是应用起来简单方便，只要 在电子处理装置中装满电池(4x1．5伏)即可工作。
①在北半球冬季多刮北风，夏季多刮南风 原因：大陆与海洋的热容量不同，陆地的比热比海 洋小，冬季内陆的高气压流向海洋的低气压 ②白天海风多刮向陆地，而夜间陆风常刮向海洋 原因：海水热容量大，升温慢，陆地热容量小，升 温快，气压低，空气容易上升
• 出于地形不同，风的形成也不同，太阳辐射山顶受 • •
热快，白天山风上升，夜间山风向下 上述原因构成了风的周期性、多样性和复杂性。 我国地域辽阔，季风强盛。 青藏高原的存在改变了海陆影响，常引起气压分布 和大气环流的变化，增加了季风的复杂性。冬季又 受西伯利亚和蒙古的影响，常有冷空气形成寒流。 夏季在太平洋上常形成热带旋风，使我国东南沿海 地区夏秋之间常出现台风，这对风能利用会有一定 的特殊影响。
•大气移动的最终结果是要使全球各地的热能分布均
匀，于是赤道暖空气向两极移动，两极冷空气向赤道 移动(见图4-1)。
2.风的特性
• （1）随机性 • •
风是随时随地可以产生的，它的方向不定、大小不同。 （2）风速随高度的增加而变化 地面上风速较低的原因是由于地表植物、建筑物以及其他 障碍物的磨擦所造成的。 风速沿高度的相对增加量因地而异，大致上可以用下式表 示： 我国n取o.16—o.20
风力发电原理之2
•——风及风力资源 • • •
风的产生与特性 风的能量与测量 风力资源及风能利用
主要内容
一 风的产生与特性
•1.风的产生
• 风是由于空气流动而产生的。 • 大气压差是风产生的根本原因。 • 地球表面被厚厚一层称为大气层的空气所包围．由
于太阳辐射与地球的自转、公转，以及河流、海洋、 山岳及沙漠等地表的差异，地面各处受热不均匀， 造成了各地区热传播的显著差别，大气的温差发生 变化，加之空气中水蒸气的含量不同，以及地面的 气压不同，于是高压区空气就向低压区流动，在水 平方向的空气流动就构成风。
• 根据中国300个气象站的计算经验得出空气密度
与海拔高度的关系为 ：
h 1.225h
•
0.00012
(kg / m )
3
• 由于风速时刻在变化，仅用风能密度的一般表达
式，还不能得出某一地点的风能潜力。 一般风速是用平均值表示的，平均风能密度可采 用直接计算和概率计算两种方法求得，各气象台 站都有详细的数据记录资料。
（4-1）
• 在国际单位制中，ρ的单位是kg／m3．S
的单位是m2，V的单位是m/s，所以E的 单位为W。 • 从风能公式可以看出，风能的大小与气流 密度和通过的面积成正比，与气流速度的 立方成正比，可见风速的作用是很大的。
2
风能密度W
• 风能密度是估计风能潜力大小的一个重要指标。 • 定义：单伦时间内通过单位截面积的风能。风能密度的公
•
我国人们习惯直观形式描述风能的强弱
• 零级无风炊烟上，一级软风烟稍斜，二级
轻风树叶响，三级微风树枝晃， • 四级和风灰尘起，五级清风水起波，六级 强风大树摇，七级疾风步难行． • 八级大风树枝折，九级烈风烟囱毁，十级 狂风树根拔，十一级暴风很罕见，十二级 飓风浪涛天。
5．风向与风频
• 风是具有大小和方向的矢量，通常把风吹来的地平方向定为 • •
•
三、风力资源
取之不尽，来自于太阳 能
一年中整个地球可从太阳获 得5．4×1024J的热量
2％被转变成风能
全球大气中总的风能量约为 1014Mw
可被开发利用的风能约有3．5×109MJ 比世界上可利用的水能大10倍
全球风力资源若能充分利用，将前景十 分可喜
• 根据世界能源理事会的有关资料，地球表面
• 作为计算风能资源基本依据的每小时风速值有3种
不同的测算方法：①将每小时内测量的风速值取 平均值：②将每小时最后10min内测量的风速值 取平均值；③在每小时内选几个瞬时测量风速值 再取其平均值。世界气象组织推荐10min平均风 速，中国目前也采用10min平均风速．即第①种 方法。测量点上配有自动记录仪器，对风向和风 速作连续记录，从中整理出各正点前10min的平 均风速和最多风向，并选取日最大风速(10min平 均)和极大风速(瞬时)以及对应的风向和出现时间。
二、风的能量与测量
• 1．风能 E
定义：空气运动产生的动能称为“风能”
1 E mV 2 2
设单位时间内气流通过面积为S的截面的气体体积为L，则
L VS
；
如果以ρ 表示空气的密度，于是该体积的空气质量为
m VS
；
风能表达式
此时气流所具有的动能为
1 1 2 E mV SV 3 2 2
•
2．风能较佳区 18%
• (1)西藏高原中北部
风能密度W在150w以上。空气密度小，所以W低，成为 我国次大风能区。 ≥3m／s风速的时间每年在5000h以上； ≥ 6m/s风速的时间每年在2000h以上。≥ 3m／s风速的时 间，每年50％以上集中在春季．夏季次之。 (2)三北北部 包括东北图门江、燕山北麓、河西走廊到新疆阿拉山口 一带，风能密度在150-200w。 ≥ 3m/s风速的时间每年有4000-5000h， ≥ 6m/s的时间每年有1500-2000h。这一地区除新疆北部 夏季风能大之外，其余地区以春季最大。 (3)东南沿海(离海岸线20-50km) 时间每年的小时数，基本和三北北部地区—致，但秋季 风能最大，冬季次之。