第一章 风能资源测量与评估

第一章风能资源概述

第一节风能基础知识

一、风的形成

风的形成是空气流动的结果，空气流动形成的动能称为风能。

空气的流动是由于不同区域空气的密度或者气压不同引起。大气压差是风产生的直接原因。

改变空气密度主要方法

（1）加热或冷却

（2）外力作用

二、影响地球表面空气流动的主要因素

1、太阳辐射

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、温度高；高纬度地区太阳高度角小，日照时间短，地面和大气接受的热量少，温度低。

高纬度和低纬度之间的温度差异，形成南北之间的气压梯度，使空气做水平运动，风沿垂直于等压线的方向从高压向低压吹。

2、地球自转

由于地球表面及空气间摩擦力的作用，地球自转过程中将带动地球表面的空气沿地球自转的方向流动。

地球自转使空气发生偏向的力称为地转偏向力-科里奥利力。科里奥利力是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。

由于地转偏向力和高低纬度间压差所引起的压力的合力成为主导地球表层空气流动的作用力。

3、地球表面陆地和海洋等地形分布的影响

（1）山坳和海峡改变气流运动的方向，使风速增大

（2）丘陵、山地因表面摩擦大而使风速减小

（3）山脉的阻挡作用导致局部风速的增加

4、局部热效应的影响

三风的种类

1、大气环流（三圈环流）——全球性的风

大气环流是在全球范围内空气沿一封闭轨迹的运动，是决定全球风能分布最基础、最重要的因素。

了解当地的盛行风向对微观选址具有重要的意义，我们可以避开盛行风向上的障碍物，当然，当地的地形条件对风向的分布也具有决定作用。

2、季风环流

季风现象：在一个大范围地区内其盛行风向或气压系统有明显的季度变化。

主要是由于海陆分布的热力差异及行星风带的季节转换所形成的。

我国是一个典型的季风气候国家。无论风电场的选址或运行，季风特征必须认真考虑。

一般来讲在我国，季风的表现是：在冬季，风从陆地吹向海洋；在夏季，风从海洋吹向陆地

3、局地环流

1、海（湖）陆风

2、山谷风

3、峡谷（峡管）风

峡谷效应使风速增大，不论是高大的山脉或是中小尺度的山脉只要存在峡谷或缢口河谷都有峡管效应，因为在谷地中流场压缩，其风速将比两侧加强，即产生峡管效应。

4、地形加速（爬坡）风

当气流通过山地时，由于受到地形阻碍的影响，流场发生变化。在山的迎风面下部由于气流受阻，风速减弱，且有上升气流。在山的顶部和两侧，因为气流线密集，风速加强。

四、风的描述

风速：风移动的速度，即单位时间空气流动所经过的距离。

风速是不稳定的随机变量，目前国际上对风力状况进行分析并作为计算风能资源的基本依据是每小时的平均风速值。

每小时平均风速值测试方法：

1、将每小时内测量的瞬时风速取平均值；

2、将每小时最后10分钟内测量的风速取平均值作为每小时的平均风速值；

3、将每小时内几个瞬间测量的风速值取平均值

由每小时平均风速值为基础可计算出每日、每月、每年的平均风速值

风向：风吹来的方向。国际上通用的十六方位风向的表示方法。

风向玫瑰图：某地区某一期间各种风向出现的频率，通过放射状雷达图表示。

风向玫瑰图表示风向和风向频率。径向矢量的长度代表沿该方向的风吹过的时间的百分数，数字则表示该方向的平均风速值。

风的特性：特性：周期性、多样性、复杂性

第二节风能资源的描述

1、大气边界层

大气边界层：受到地球表面摩擦力影响的大气层

大气边界层中，空气运动是一种随即的湍流流动。

大气边界层主要特征表现：

由于地球表面的摩擦阻力的影响，风速随高度变化

由于大气温度随高度变化所产生的温差引起空气上下对流流动

由于地球自转引起的科氏力的作用，随高度的增加，风向随高度变化

由于湍流运动引起动量的垂直变化，大气湍流特性随高度变化

2、地面边界层

底层和下部摩擦层总称为地面边界层，其高度定义为大气边界层的固定百分比（10%）。

风速随高度的变化规律称为风切变或风速轮廓线。

风切变与地面粗糙度和地面形貌有关，另外还取决于温度切变。

温度切变层分三类：

第一类为不稳定层：地面空气温度高于上层空气温度；湍流强度大，风切变现象明显。

第二类为稳定层：地表温度要比上层空气温度低；湍流强度减弱，风切变现象减弱。

第三类为中性层：地面空气温度基本与上层空气温度相等。风切变只受地面摩擦力影响。

3. 风切变或风廓线

平均风速随高度的变化（风剪切数据模型）

4. 湍流的强度

定义：风的湍流是风速、风向和垂直分量的快速扰动和不规则变化。

大气湍流主要至因：剪切力和热对流。

高的湍流将引起风电机组输出功率降低以及部件严重超载。

5、风频分布

按风速相差1米/秒的间隔观测一定时期（一年、一月或一天）内不同风速出现的时数占此一定时期内吹风总时数的百分比称为风速的频率分布。风速的频率分布一般以图形表示。风频分布可威布尔（Weibull)分布、瑞利（Rayleigh)分布、对数正态分布三种数学模型表示。

6、风能计算

风能的利用就是将流动空气拥有的动能转化为其他形式的能量。

风能功率：风在单位时间垂直界面F所做的功

风能密度：风在单位时间垂直通过单位面积所做的功

7、有效可用风能

GB8974-88风力机名词术语的定义：

起动风速：风力机风轮由静止开始转动并能连续运转的最小风速；

切入风速：风力机对额定负载开始有功率输出时的最小风速；

切出风速（顺浆风速或停机风速）：由于调节器的作用使风力机对额定负载停止功率输出的风速；

工作风速：风力机对额定负载有功率输出的风速范围，一般为 3～ 2 0 m/ s。

额定风速（设计风速），设计参考风速，与额定功率向对应。

因此风力机械就有一个工作风速范围，即从切入风速到切出速度，称为工作风速，即有效风速。切入风速到切出速度(V1-V2)之间的风能称为有效风能。

8 风场的选择原则

（1）在风能普查和详查的基础上，选择在风能丰富区。

（2）要求有尽量稳定的盛行风向（主导风向）。

（3）尽量避开灾害性天气频繁地带。

（4）由于蓄能装置替代风力机在静风期提供能量的能力有限，所以风场按月、年统计的静风期要短，这对单独工作而非并网的风力机显得更为重要。

（5）风力机叶轮直径所在的高度范围内风速的变化要小。

（6）在平坦地区安装风力机，选择地面粗糙度低的区域；四周3~5km范围内山丘高度不超过60m，风力机附件地面的坡度不超过1：30.

（7）风力机安装地附近有建筑物时，应遵循以下要求：若建筑物位于盛行风向的上风位，在建筑物前安装的风力机，其安装地距建筑物应至少有2倍于建筑物高度的距离；在建筑物的下风向安装，风力机安装地距建筑物应至少有20倍于建筑物高的距离，且保证风力机叶片扫风最低点所处的高度应3倍于建筑物高度。

（8）在山区：山脊走向与盛行风向垂直、山尖不很平坦、上升坡度到山尖尽可能连续、坡度小于30°的山顶及其迎风面上半部是好的风场；在孤立山丘上，风速的增加小于风吹过山脊时的情形，在该处安装风力机的原则与山脊相同，然而如果盛行风向随季节变化很大，那么设在中等坡度孤立山丘上的风力机场地就会比同样风况山脊是哪个的场地更为优越。