1项目一 风能资源测量与评估

《风力发电技术》电子教案
教学内容
任务1.1 风的形成
一、风的特点
1、风的变化性和不稳定性。

2、风力大小从地球表面，随海拔的升高而增大。

3、空气的密度随海拔的升高而减小。

二、风的形成
太阳能正是形成大气压差的原因。

1、气压梯度力
由于高低纬度之间的温度差异，造成了南北向之间的气压梯度，由于气压梯度引起的力就叫气压梯度力。

在气压梯度力的作用下，使空气做水平运动，并沿垂直于等压线的方向由高压向低压吹。

●在赤道和低纬度地区，太阳高度角大，日照时间长，太阳辐射强度大，地面和大气接受
热量多，温度较高；
●高纬度地区，太阳高度角小，日照时间短，太阳辐射强度小，地面和大气接受热量少，
温度低。

2、地转偏向力
地球自转使空气运动发生偏向力，这种力称为“地转偏向力”。

在赤道附近，地转偏向力为零，随着纬度的增加而增大，在极地达到最大。

在这种力的作用下，北半球气流向右偏转，南半球气流向左偏转。

图1-1 三圈环流示意图
3、大气环流
在地球上由于地球表面受热不均，引起大气层中空气压力不均衡，因此形成地面与高空的大气环流。

这种环流在地球自转偏向力的作用下，形成了赤道到纬度30°N环流圈（哈德来环流）、纬度30°~60°N环流圈和纬度60°~90°N环流圈，这便是著名的“三圈环流”，如图1-1所示。

1）纬度30°N环流圈
在赤道附近，空气受热膨胀上升，造成赤道上空气压升高，空气向极地方向流动。

以北半球为例，由于赤道附近地转偏向力很小，空气基本受气压梯度力影响，因此赤道上空的空气由南向北流动。

随着纬度的增加，地转偏向力逐渐加大，空气运动向右偏转。

在纬度30°附近，偏角到达90°，地转偏向力与气压梯度力相当，空气运动方向与纬圈平行，所以在纬度30°附近上空，赤道来的气流受到阻塞而聚积，气流下沉，形成这一地区地面气压升高，就是所谓的“副热带高压”。

副热带高压下沉气流分为两支，一支从副热带高压向南流动，指向赤道。

在地转偏向力的作用下，北半球吹东北风，风速稳定且不大，约3~4级，这是所谓的信风，所以在南北纬30°之间的地带称为信风带。

这一支气流补充了赤道上升气流，构成了一个闭合的环流圈，称此为哈德来环流，也叫做正环流圈。

此环流圈南面上升，北面下沉。

2）纬度30°~60°N环流圈
副热带高压下沉气流的另一支从副热带高压向北流动的气流，在地转偏向力的作用下，北半球吹西风，且风速较大，这就是所谓的西风带。

在60°N附近处，西风带遇到了由极地向南流来的冷空气，被迫沿冷空气上面爬升，在60°N地面出现一个副极地低压带。

副极地低压带的上升气流，到了高空又分成两股，一股向南，一股向北。

向南的一股气流在副热带地区下沉，构成一个中纬度闭合圈，正好与哈德来环流流向相反，此环流圈北面上升、南面下沉，所以叫反环流圈，也称费雷尔环流圈；
3）纬度60°~90°N环流圈
副极地低压带的上升气流的向北气流，从上升到达极地后冷却下沉，形成极地高压带，这股气流补偿了地面流向副极地带的气流，而且形成了一个闭合圈，此环流圈南面上升、北面下沉与哈德来环流流向类似的环流圈，因此也叫正环流。

在北半球，此气流由北向南，受地转偏向力的作用，吹偏东风，在60°~90°之间，形成了极地东风带。

4、季风环流
在一个大范围地区内，它的盛行风向或气压系统有明显的季节变化，这种在1年内随着季节不同，有规律转变风向的风，称为“季风”。

季风盛行地区的气候又称季风气候。

冬季，陆地比海洋冷，大陆气压高于海洋，气压梯度力自大陆指向海洋，风从大陆吹向海洋；夏季则相反，陆地很快变暖，海洋相对较冷，陆地气压低于海洋，气压梯度力由海洋指向大陆，风从海洋吹向大陆1-3所示。

图1-3 海陆热力差异引起的季风示意图
a)冬季b)夏季
5、局地环流
1）海陆风
图1-4 海陆风形示意图
a) 夜间b）白天
由于海陆物理属性的差异，造成海陆受热不均。

白天陆上温升较海洋快，空气上升，而海洋上空气温度相对较低，使地面有风白海洋吹向大陆，补充大陆地区上升气流。

而陆上的上升气流流向海洋上空而下沉，补充海上吹向大陆气流，形成一个完整的热力环流；夜间环流的方向正好相反，所以风从陆地吹向海洋，将这种白天风从海洋吹向大陆称海风。

夜间风从陆地吹向海洋称陆风，所以将在1天中海陆之间的周期性环流总称为海陆风，见图1-4。

2）山谷风
图1-5 山谷风形成示意图
a) 白天b）夜间
白天，山坡接受太阳光热较多，空气增温较多；而山谷上空，同高度上的空气因离地较远，增温较少，于是山坡上的暖空气不断上升，并从山坡上空流向谷地上空，谷底的空气则沿山坡向山顶补充，这样便在山坡与山谷之间形成一个热力环流。

下层风由谷底吹向山坡，称为谷风。

到了夜间，山坡上的空气，受山坡辐射冷却影响，空气降温较多，而谷地上空，同高度的空气因离地面较远，降温较少。

于是山坡上的冷空气因密度大，顺山坡流入谷地，谷底的空气因汇合而上升，并从上面向山顶上空流去，形成与白天相反的热力环流。

下层风由山坡吹向谷地，称为山风。

山风和谷风又总称为山谷风，见图1-5。

任务1.2 风的特征及测量
一、风的基本特征
1、风速
风的大小常用风的速度来衡量，风速是单位时间内空气在水平方向上移动的距离，常用m/s、km/h、mile/h等来表示。

专门测量风速的仪器有旋转式风速计、散热式风速计和声学风速计等。

风速仪安装高度不同，所得到的风速结构也不同，它随高度升高而增强，通常测风高度为10m。

1）瞬时风速、平均风速
●因为风是不恒定的，所以风速经常变化，在某一瞬间测得风速为瞬时风速；
●在某一段时间内，瞬时风速的算术平均值称为平均风速因此风速仪测得的风速是平均风
速。

●我们将年平均风速作为评价一个风场开发利用价值的重要指标。

●风力发电机轮毂中心高度处的最小年平均风速，是判断一个风电场开发是否经济的标准。

●当年平均风速大于5m/s时，风能的开发才有经济价值。

2）风速频率、风速变幅
●在一定的时间内，相同风速出现的时数占测量总时数的百分比，称为风速频率。

●在求得平均风速的限定时间内，最大风速与最小风速之差，称为风速变幅。

3）启动风速、切除风速、有效风速
●可使风力发电机启动运行的风速称为启动风速；
●风力发电机超速运行的上限风速称为切除风速；
●风力发电机常取3m/s为启动风速，25m/s为切除风速，所以把3~25m/s的风速称为有效风
速，据此计算出来的风速频率和风能称为有效风频和有效风能。

●年平均风速大于3m/s的年小时数决定了风力发电机的工作效率及经济性，表明风电场在
一年内风力发电机可以起动工作的小时数。

4）参考风速和极限风速
●参考风速定义为50年一遇的、在轮毂高度处能持续10min的阵风平均风速。

●极限风速定义为1.4倍的参考风速。

极限风速决定了风力发电机设计时的强度和刚度指标。

5）影响风速的主要因素
a、垂直高度
从空气运动角度，通常将1km以下的大气层分为三个区域：
离地面2m以内的区域称为底层；2~100m的区域称为下部摩擦层，二者总称为地面境界层；从100~1000m区域称为上部摩擦层，以上三个区域总称为摩擦层；
摩擦层之上称为自由大气。

在地面境界层内，空气运动因受流黏性和地面摩擦的影响，风向大体一致，而风速则随着垂直高度的增加而增大。

b、地形地貌
表1-1 不同地形与平坦地面的风速比值
表1-2 山顶与山麓的风速比值
比值 1.38 1.50 1.60 1.70 1.80 1.84 1.90
速大，沿海的风速比内陆的风速大。

d、障碍物风流经障碍物时，会在其后面产生不规则的涡流，致使流速降低，这种涡流随着远离障碍物而逐渐消失。

当距离大于障碍物高度10倍以上时，涡流可完全消失，所以在障碍物下设置风力发电机时，应远离其高度10倍以上。

2、风级、风压
风力等级（简称风级），是风速的数值等级表示，是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象来来估计风力的大小，风越强，数值越大。

风压就是垂直于气流方向的平面所受到的风的压力。

根据伯努利方程得出的风速风压关系：
其中，W p为风压，kN/m²；ρ为空气密度，kg/m³；v为风速，m/s。

表1-3 风级、风速和征象对照表
等
级
名称
相当于平地10米高
处的风速
陆上地物征象海面和渔船征象
海面浪高
（m）风压
（10N/m2）m/s km/h
一
般
最高
0 无风0.0-0.2 ＜1 静，烟直上。

海面平静。

- - 0-0.0025
1 软风0.3-1.5 1-5
烟能表示风
向，但风向标
不能转动。

微波如鱼鳞状，没有浪花。

一艘渔船正好能使舵。

0.1 0.1 0.0056-0.014 2 轻风 1.6-3.3 6-11
人面感觉有
风，树叶微响，
风向标能转
动。

小波，波长尚短，但波形
显著，波峰呈玻璃色但不
破裂。

渔船张帆时，可随
风移动每小时1～2海里。

0.2 0.3 0.016-0.68 3 微风 3.4-5.4 12-19
树叶和微枝摇
动不息，旌旗
展开。

小波加大，波峰开始破裂；
浪沫光亮，有时可有散见
的白浪花。

渔船开始簸动，
张帆随风移动每小时3～4
海里。

0.6 1.0 0.72-1.82
4 和风 5.5-7.9 20-28
能吹起地面灰
尘和纸张，树
的小枝摇动。

小浪，波长变长；白浪成
群出现。

渔船满帆时，可
使船身倾于一侧。

1.0 1.5 1.89-3.9
5
清劲
风
8.0-10.7 29-38
有叶的小树摇
摆，内陆的水
面有小波。

中浪，具有较显著的长波
形状；许多白浪形成（偶
有飞沫）。

渔船需缩帆一部
分。

2.0 2.5 4-7.16
图1-6 风速等级
3、风向
风向是指风吹来的方向，如果风从东面吹来，则称为东风。

观测陆地上的风向一般采用16个方位（海上的风向通常采用32个方位），即以正北为零，顺时针没转过22.5°为一个方位，如图1-7所示。

静风记为C。

图1-7 风向16方位图图1-8 风向玫瑰图各种风向出现频率常用风玫瑰图来表示。

风玫瑰图是在极坐标图上，点出某年或某月各种风向出现的频率，称为风向玫瑰图。

同理，统计各种风向上的平均速度和风能的图，分别称为风速玫瑰图和风能玫瑰图。

4、风能密度
空气1s时间内以速度v流过单位截面积的动能成为风能密度，常以W/m2来表示。

风能密度
是决定风能潜力大小的重要因素。

风能密度与平均速度v的三次方成正比，与空气密度成正比。

而空气密度则取决于气压、气温和湿度。

因此，不同地方和条件下的风能密度不同。

一般来说，海边地势低，气压高，空气密度大，风能密度高；高山地区气压低，空气稀薄，风能密度小。

二、常用测风设备
1、风速计
（1）风速计
1）杯式风速计：它由3个互成120°固定在支架上的抛物锥空杯组成感应部分，空杯的凹面都顺向一个方向。

整个感应部分安装在一根垂直旋转轴上，在风力的作用下，风杯绕轴以正比于风速的转速旋转。

转速可以用电触点、测速发电机或光电计数器等记录。

图1-9 杯式风速计图1-10 螺旋桨式风速计2）螺旋桨式风速计：它是一组三叶或四叶螺旋桨绕水平轴旋转的风速计，通过尾翼使其旋转平面始终正对风的来风速计向，它的转速正比于风速。

3）热线风速计：热线风速计是采用一根被电流加热的金属丝，流动的空气使它散热，利用散热速率和风速的平方根成线性关系，再通过电子线路线性化，即可制成热线风速计。

热线风速计分旁热式和直热式两种。

旁热式的热线一般为锰铜丝，其电阻温度系数近于零，它的表面另置有测温元件。

直热式的热线多为铂丝，在测量风速的同时可以直接测定热线本身的温度。

热线风速计在小风速时灵敏度较高，适用于对小风速测量，是大气湍流和农业气象测量的重要工具。

图1-11 热线风速计图1-12 数字风速仪图1-13 声学风速仪
4）数字风速仪：
5）声学风速计：在声波传播方向的风速分量将增加（或减低）声波传播速度，利用这种特性制作的声学风速表可用来测量风速分量。

声学风速表至少有两对感应元件，每对包括发声器和接收器各一个。

使两个发声器的声波传播方向相反，如果一组声波顺着风速分量传播，另一组恰好逆风传播，则两个接收器收到声脉冲的时间差值将与风速分量成正比。

如果同时在水平和铅直方向各装上两对元件，就可以分别计算出水平风速、风向和铅直风速。

由于超声波具有抗干扰、方向性好的优点，声学风速表发射的声波频率多在超声波段。

（2）风速记录
风速记录是通过信号的转换方法来实现的，一般有4种方法：
1）机械式：当风速感应器旋转时，通过蜗杆带动蜗轮转动，再通过齿轮系统带动指针旋转，从刻度盘上直接读出风的行程，除以时间得到平均风速。

2）电接式：由风杯驱动的蜗杆，通过齿轮系统连接到一个偏心凸轮上，风杯旋转一定圈数，凸轮使相当于开关作用的两个接点闭合或打开，完成一次接触，表示一定的风程。

3）电机式：风速感应器驱动一个小型发电机中的转子，输出与风速感应器转速成正比的交变电流，输出到风速的指示系统。

4）光电式：风速旋转轴上装有一个圆盘，盘上有等距的孔，孔上面有一个红外光源，正下方有一个光电半导体，风杯带动圆盘转动时，由于孔的不连续性，形成光脉冲信号，经过光电半导体器件接收放大后变成电脉冲信号输出，每一个脉冲信号表示一定的风行程。

2、风向标
风向标是测量风向的常用装置，有单翼型、双翼型和流线型。

风向标一般由尾翼、指向杆，平衡锤及旋转主轴四部分组成的首尾不对称的平衡装置。

其重心在支撑轴的轴心上，整个风向标可以绕垂直轴自由摆动。

在风的动压力作用下，取得指向风的来向的一个平衡位置，即为风向的指示。

传送和指示风向所在方位的方法有很多，有电触点盘、环形电位、自整角机和光电码盘四种类型，其中最常用的是码盘。

风向杆的安装方位指向正南。

风速仪一般安装在离地10m 的高度上。

图1-14 风向标
表1-4 风向标具体参数
输出类型电流输出型电压输出型RS485型
量程0-360度16个方向
供电电压DC12V~24 V
输出信号4-20mA（三线制）1-5V或者0-5V
负载能力≤500Ω≥2KΩ
表1-5 风向标信号输出类型表
①
② GND ③ 信号④ NC
① 电源
② GND ③ 信号
④ NC
① 电源+
② GND ③ A+/TXD ④ B-/RXD ① 电源+
② GND ③ A+/TXD
④ B-/RXD
a ）电压电流型输出接口
b ）RS485型输出结构
图1-15 风向标输出接口图
3、PROFESSIONAL-IX 型机械式风速风向仪的使用
1）具体参数
表1-5 PROFESSIONAL-IX 风速风向仪设备参数
输出0...10 VDC = 0.4...50 m/s 0...10 VDC = 0...360°防护等级IP 65 IP 65
供电24 VDC (20...28 VDC) 24 VDC (20...28 VDC) 加热方式通体加热max. 125W 通体加热max. 125W
加热电源
24 VDC 5.5A
与供电电源分开，独立电源
24 VDC 5.5A
与供电电源分开，独立电源
工作温度-40...+70°C -40...+70°C
储存温度-40...+70°C -40...+70°C
壳体材质重防腐双重阳极处理铝合金重防腐双重阳极处理铝合金测量部件材质转杯:双重阳极处理铝镁合金风标:双重阳极处理铝镁合金
最大相对湿度100% 100% 浪涌保护有,不会损坏有,不会损坏
静电保护有,不会损坏有,不会损坏
容错保护接错线传感器不会损坏* 接错线传感器不会损坏* 电缆总长度/m 12米12米
净重/kg 0.8 Kg 0.8 Kg
图1-15 PROFESSIONAL-IX风速风向仪结构
2）内部连接及布局
传感器信号线：1、棕色：传感器信号电源正极；2、白色：传感器信号电源负极；3：蓝色：传感器信号输出正极；4、黑色：传感器信号输出负极。

加热器电源线：1、棕色：加热器电源正极；2、蓝色：加热器电源负极。

3）设备使用
a、风向标标定
在风向标安装完毕以后，必须设定其指北。

找到风向标上的N标志，然后使其指向地理为止的正北；找到风标，然后转动他直至风向标上标明N标志的位置，然后用胶带固定住。

当风标已经按照此方法固定住以后，就可以通过在中轴线上转动风标来找到参照点，这时必须转动风向标外壳知道风标后端的小铁托指向正北方向的参照点。

整个指北过程完成。

如果因为当地地形或其他原因无法找到参照点，则可以使用南作为参照点。

这是就必须保证在风向标的N标志不是指向参照点，而是参照点的反方向。

b、电气连接
PROFESSIONAL-IX 风速仪风向标通过一根15米电缆连接到风机控制系统上；电缆必须要用必要的工装固定住，因为不固定的安装会极大的降低线缆的强度（在固定安装的情况下，线缆能耐零下40度的低温，但是不固定情况下最低只能下降在零下20度左右），建议在固定时从风速仪风向标本体向下放置线缆时留一个较大的弧线，以保证今后拆线缆时能方便些。

注意：为了保证不被电磁感应影响到测试精度，风速仪风向标必须接地，并且从两面进行屏蔽。

而且请确保电缆在数据处理系统侧是受防潮保护的。

总体来说，带有为了放置抄起进入终端控制盒的橡胶接头的Pg插孔可以提供足够的防护。

c、加热
传感器内部带有自动控制的温度传感器。

当外部温度低于3°时，加热开关开启，开始加热。

当外部温度高于5°时，加热开关关闭，停止加热。

加热器设备的功率是125瓦，其中传感器顶部，风标风杯的载体一整块金属箔片本身也是加热器。

所以能确保在极低的温度下，风速仪风向标都能够正常工作。

特别注意：由于加热器功率较大，所以其供电电源要与传感器自身的供电电源分开，需要一个独立的24 V，5.5 A的电源模块来给其供电。

加热器的电源线缆是从传感器的侧面引出来的独立的线。

任务1.3 风资源测量与评估
一、风能资源评估方法
风能资源评估方法可分为统计分析法和数值模拟法两类，其中统计分析法又可分为基于气象站历史观测资料的统计分析法和基于测风塔观测资料的统计分析方法两种。

1）区域的初步识别这个过程是从一个相对大的区域中筛选合适的风能资源区域，筛选是基于气象站测风资料、地貌、被风吹得倾向一侧的树木和其它标志物等。

在这个阶段可以选择新的测风位置。

2）区域风能资源估计这个阶段要采用测风计划以表征一个指定区域或一组区域的风能资源，这些区域已经考虑要发展风电。

在这个规模上测风最基本的目标是：①确定和验证该区域内是否存在充足的风能资源，以支持进一步的具体场址调查；②比较各区域以辨别相对发展潜力；③获得代表性资料来估计选择的风电机组的性能及经济性；④筛选潜在的风电机组安装场址。

3）微观选址风能资源评估的第三部是微观选址，用来为一台或更多风电机组定位，以使风电场的全部电力输出最大，风电机组排布最佳。

二、风资源测评程序
1）风资源侧面程序风能资源评估的目标是确定该区域是否有丰富的风能资源，通过数据估算选择合适的风电机组，提高经济性，并为微观选址提供依据。

风能资源测评程序如图1-8
所示。

图1-8 风能资源评估程序
2）测风步骤现场测风的目的是获取准确的风电场选址区的风况数据，要求数据具有代表性、准确性和完整性。

因此应制定严格的测风计划和步骤。

①制定测风原则为了能够确定在各种时间和空间条件下风能变化的特性，需要测量风速、风向和湍流特性，测风时间应连续至少一年以上，连续漏测时间不应大于全年的1%，有效数据不能少于全部测风时间的90%。

②测风设备选定选用精度高、性能好、功耗低的自动测风设备，并具有抗自然灾害和人
为破坏、保护数据安全准确的功能。

③确定测风方案测风方案依测风的目的分为短期临时测风和长期测风方案。

对于复杂地形，需增设测风塔及测风设备，应视现场具体情况而定。

④测风位置确定测风应在空旷的开阔地进行，尽量远离高大树木和建筑物，冲锋考虑地形和障碍物的影响。

⑤测风数据文件的记录记录内容应包括数据文件名称、采集开始和结束时间、测风塔编号、海拔及经纬度等。

⑥测风数据的提取、存储和保存数据存储至少备份2份保存归档，分别存放在安全地方。

二、风能可利用区的划分
一般来说平均风速越大，风功率密度也大，风能可利用小时数就越多。

我国风能区域等级划分的标准是：
1）风资源丰富区：年有效风功率密度大于200W/m2，3~20m/s风速的年累积小时数大于5000h，年平均风速大于6m/s；
2）风资源次丰富区：年有效风功率密度大于200~150W/m2，3~20m/s风速的年累积小时数大于5000h~4000h，年平均风速在5.5m/s左右；
3）风资源可利用区：年有效风功率密度大于150~100W/m2，3~20m/s风速的年累积小时数大于4000h~2000h，年平均风速在5m/s左右；
4）风资源贫乏区：年有效风功率密度小于100W/m2，3~20m/s风速的年累积小时数小于2000h，年平均风速小于5m/s。

风资源丰富区和较丰富区，具有较好的风能资源，是理想的风电场建设区；风能资源可利用区，有效风功率密度较低，这对电能紧缺地区还是有相当的利用价值。

风资源贫乏区，风功率密度很低，对大型并网型风力发电机组一般无利用价值。

针对山东省地理位置，结合山东省风资源状况（图1-9、图1-10、图1-11、图1-12），查找相关气象资料，试分析山东省哪些区域适合建设风电场，并撰写风资源评估分析报告。

图1-9 中国风能分布
图1-10 年平均风功率密度分布
图1-11 全国平均风速分布图
图1-12 中国全年风速大于3m/s小时数分布图。