【风力发电技术】_风资源的基本理论

第二章 风资源的基本理论

第二章 风资源的基本理论

2.1 描述风的物理量

风是一种矢量，它通常用风向与风速这两个参数来表示。为了表示风所具有的能量，常用的概念有：风能、风功率、平均风能密度、有效风能密度等。

2.1.1 风速

它表示空气在单位时间内流过的距离，单位是米/秒或英里/小时。风速要用风速仪测量。由于风力变幻莫测，于是在实用中就有瞬时风速与平均风速这两个概念。前者可以用风速仪在较短时间(0.5～1.0s)内测得，后者实际上是某一时间间隔内各瞬时风速的均值，因此就有日平均风速、月平均风速、年平均风速等。

2.1.2 风向

2.1.2.1 风向的测量

风向是指风吹来的方向，如果风是从北方吹来就称为北风。风向可以由风向标给出，从风向标相对于罗盘主方位固定臂的位置，可看出风的方向。气象上使用的风向标要求转动灵活，且要水平安装在四周空旷的地区，并高出地面 10～12m。目前国内使用的 EL 型电接风向风速仪，通过电缆把风向标的摆动信号接到室内记录仪上，每间隔 2.5min，记录一次瞬时风向，这样，在室内就可以观测和记录风向。 2.1.2.2 风向的表示

观测陆地上的风向，一般采用 16 个方位 (观测海上的风向通常采用 32 个方位)，即以正北为零，顺时针每转过 22.5°为一个方位， 表 2.1 列出 16 个方位的风向符号，图 2.1 是风向的方位图。

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内蒙古工业大学硕士学位论文

表 2.1 16 个方位风向符号

风 向 北 东 南 西 东北偏北 东南偏东 西南偏南 西北偏西 符号 N E S W NNE ESE SSW WNW 角度 360 90 180 270 22.5 112.5 202.5 292.5 风 向 东北 东南 西南 西北 东北偏东 东南偏南 西南偏西 西北偏北 符号 NE SE SW NW ENE SSE WSW NNW 角度 45 135 225 315 67.5 157.5 247.5 337.5

2.1.3 风能

风能就是流动的气流所具有的动能。风能的利用主要就是将气流的动能转化为其它形式的能。

假定气流是不可压缩的(这在风能利用的风速范围内，是相当精确地成立的)[23]，那么整个能量就可看成是纯动力的，根据力学原理，在时间 t 内，流过截面 A 的风具有的动能 E(焦耳)为

E ? 1 ?v3 At

2 (2-1)

这就是在 t 时间内，风所具有的能量公式。式中 ? 为空气密度， v 为风速，各参量的单位采用国际单位制。

2.1.4 风功率（风能公式）

在单位时间内流过该截面的风能，即为风功率，用 (2-1)式除以相应的时间 t，得 到

W ? 1 ?v3 A

2 (2-2)

单位为千克·米 2·秒-3，即瓦。式(2-2)，是我们常用的风功率公式。而在风力工程上，则又习惯称此式为风能公式。

从(2-2)式可见，风能大小与气流通过的面积、空气密度和气流速度的立方成正比。

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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潜力的估计有决定性作用。

2.1.5 平均风能密度

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(2-2)式除以相应的面积 A，便得到风功率密度公式，也称风能密度公式

w ? 1 2 ?v

3

(2-3)

由于风速随时间的变化是随机的，通常无法用—个函数形式给出v (t)的表达式， 因此通过式(2-3)很难求出平均风能密度。这时，我们只能用观测的离散值近似地求出(2-3)式的值，即

??N v3 w' ?i i ? 2N

时间内出现的次数。

(2-4)

其中，N 为 T 时间内共进行的观测次数， vi 为每次的观测值，Ni 为该风速等级在 T

2.1.6 有效风能密度

由于风力机需要根据一个确定的风速来设计，这个风速称为“设计风速”。在这种风速下，风力机功率最为理想．风力工程中，把风力机开始运行作功时的这个风速称为“起动风速”。当风到达某一风速时，风机限速装置将限制风轮转速不再改变， 以使风力机出力稳定，称这个风速为额定风速。但若再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“截止风速”。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“起动风速”到“停机风速”之间的风力称“有效风力”。这个范围内的风能称为“有效风能”。因此引入“有效风能密度”这一概念，它是有效风力范围内的风力平均密度。

根据有效风速密度定义，它的计算式为：

wi ????

v2

v1

1 ?v3 f ' (v)dv 2 2

(2-5)

式中w 为有效风能密度；v 起动风速，v 为停机风速； f ' (v) 为有效风速范围内

i

1

的条件概率分布密度函数，它与风速分布密度函数 f (v) 的关系是：

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?f (v)

?f (v) ??

f (v1 ? v ? v2 ) f (v ? v2 ) ? f (v ? v1 )

'

f (v)

(2-6)

从公式(2-3)、(2-4)、(2-5)、(2-6)可见，计算一个地点的风能密度，需要计算该时间区间下的空气密度和风速。

2.2 风的时空变化

从上面的分析可知风向和风速是两个描述风的重要参数。显然风向和风速这两个参数都是在变化的。下面主要讨论与风资源评估相关的风随时间和高度的变化。

2.2.1 风随时间的变化

风随时间的变化，包括每日的变化和月的变化。

1. 风速的日变化

通常一天之中风的强弱在某种程度上可以看作是周期性的。如地面上夜间风弱， 白天风强；高空中正相反是夜里风强，白天风弱。这个逆转的临界高度大约为 100～ 150m。图 2.2 是海力素气象站的风速日变化。

7 6 风速（m/s) 5 4 3 2 1 0 21 22 23 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

时间(t)

图 2.2

风速的日变化

2. 风速的月变化

由于季节的变化，太阳和地球的相对位置也发生变化，使地球上存在季节性的温差。因此风向和风的强度也会发生季节性变化。我国大部分地区风的季节性变化情况是：春季最强，冬季次之，夏季最弱。当然也有部分地区例外，如沿海地区，夏季季风最强，春季季风最弱。

一年之中，由于地球表面高压区和低压区的变动，风的速度与方向一般也发生变化。图 2.3 是海力素气象站月平均风速的展开图。从图上不难看出该地区的风速都比

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较高，是开发风能的优良场所，所以在该地区建设风电场，将对该地区的能源需求起到很好的补充作用。

2.2.2 风随高度的变化

从空气运动的角度，通常将不同高度的大气层分为三个区域（见图 2.4）。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 的区段称为上部摩擦层，以上三区域总称为摩擦层。摩擦层之上是自由大气。

地面境界层内空气流动受涡流、黏性和地面植物及建筑物等的影响，风向基本不变，但越往高处风速越大。各种不同地面情况下，如城市、乡村和海边平地，其风速随高度的变化如图 2.5 所示。

风速随高度的变化情况及其大小，因地面的平坦度、地表粗糙度以及风通道上的气温变化情况的不同而有所差异。

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