南京工业大学风力发电原理第二章

风力发电原理谭剑锋第二章风能及转换原理第二章风能及转换原理需要掌握：风的形成（大气环流、季风、陆海风、山谷风）风的测量(测试系统、测量方法)风能资源(风能特点、风能密度计算方法、选址)风特点（风速、风向表示方式）形成原因：太阳辐射造成地球表面的大气受热不均，温度差异造成大气层的压力分布不均。在压力差的作用下，空气流沿水平方向由高压区向低压区流动，形成了风。风能：风所具有的动能为风能。风能是太阳能的一种转化形式。

风是指空气相对于地球表面的运动，是由于大气中热力和动力的空间不均匀性所致，通常指水平方向的空气运动2.1风的形成一、风的形成弯曲的线是等压线。闭合的等压线如果其气压值高于周围，则称为高气压区，相反称为低气压区。如同山峰的山脊和山谷，从高气压伸展出来的部分称为高压脊，从低气压伸展出来的部分称为低压槽。气压与风的关系

17世纪意大利拖里拆里发明气压表，法国帕斯卡发现大气压与高度关系。一、风的形成气压梯度：等压线的疏密程度表示了单位距离内气压差的大小。等压线越密集，气压梯度越大。气压梯度力：由于气压梯度而产生的旁压力。气压梯度力把两地间的空气从气压高的区域推向气压低的区域，空气流动从而形成了风。气压梯度力越大，空气流动速度越快，风速越大。地转偏向力：地球自转而使空气水平运动发生偏向的力。随风速增大而增大，且与风向始终垂直。

大气受力：气压梯度力、地转偏转力、摩擦力、离心力一、风的形成左、右手法则进行判别偏转方向。

北半球：右手法则南半球：左手法则。气压和风的相互关系：风速与气压梯度成正比，风向与等压线成平行。

在地转偏向力的作用下，风向不断发生偏转。到风向被偏转到与气压梯度力角度为90°，此时气压梯度力对风的分作用力为0。气压梯度力与地转偏向力正好相反，大小相等，达到平衡。在平衡状态下，风向与气压等压线保持平行。

一、风的形成风的尺度小尺度：米~千米，秒~天，对风电机组设计产生主要影响中尺度:千米~百千米，分钟~周，雷暴和风天气尺度：百千米~千千米，天~周，天气预报尺度行星尺度：>千千米，>周,全球季节性变化一、风的形成全球性风大气环流原因：太阳辐射不均匀，赤道和极地的温度和气压差异1735年英国哈德莱(Hadley)单圈循环模型，没有地球转动影响1856年美国人费雷尔(Ferrel)的“三圈环流”“费雷尔环流圈”，盛行西风带构成“极地环流圈”一、风的形成“副热带高压”，地球偏转力，维度30平行，气流下沉“哈德莱环流圈”，东北信风带构成季风原因：海陆比热不同而造成的热力差异，形成大尺度、随季节交替变化的局部热力环流夏季:大陆增热比海洋剧烈，海上形成高压，大陆形成低压，空气从海上流向大陆，而高空形成了与底层气流方向相反的气流，构成了夏季季风环流。冬季:大陆比海洋温度低，大陆的气压比海洋的高。底层气流由大陆吹向海洋，高层气流由海洋流向大陆，形成了冬季季风环流。最著名的是东南亚季风区。在夏季，从印度洋和西南太平洋来的暖、湿空气向北和西北方向移动进入亚洲大陆，进入印度、中南半岛和中国。在冬季，亚洲大陆为一强盛高压中心所控制，气流自高压中心向外流动，其方向与夏季季风正相反。东亚季风对我国、朝鲜、日本等地区的天气和气候影响很大。这些地区的气候特征，在冬季表现为低温、干旱和少雨；夏季是高温、湿润和多雨。一、风的形成季节性变化特点明显，日夜变化也有规律①海陆风海风:白昼时，大陆表面空气的升温速度较快，气流流向海洋。大陆表面形成低压区，近地层海洋产生高压区，海平面上的空气向陆地流动。4~7m/s陆风:夜间，海洋释放热量，气流降温较慢，地面降温较快，从而使地表的空气从陆地流向海面，2m/s一、风的形成

海陆风是由海陆热力差异引起的，其影响范围仅局限于沿海，风向变换以一天为周期。

中纬度地区:海风可以从海岸线深入陆地50km。

低纬度地区:海风风速可达4~8m/s，陆风一般只有1~3m/s。一、风的形成山谷风

“谷风”:在山区，白天风从山谷吹向山坡；“山风”:到夜间，风从山坡吹向山谷。

山风和谷风统称为山谷风，其形成原理与海陆风相似,会生成很强的气流，进而形成强风.谷风的平均速度为2～4m/s，有时可达7～10m/s。谷风通过山隘时风速加大。山风比谷风小一些。谷风所达厚度一般为谷底以上500～1000m。一、风的形成焚风

定义：当气流跨越山脊时，背风面产生一种热而干燥的风。

条件：山岭两面气压不同的条件下发生。

分析：山岭一侧是高气压，另一侧是低气压时，空气从高气压区向低气压区流动。受山阻碍被迫上升，气压降低，空气膨胀，温度也随之降低。空气每上升100m，气温则下降0.6℃。空气上升到一定高度时，水汽遇冷凝结，形成雨水。空气到达山脊附近后变得稀薄干燥，然后翻过山脊，顺坡而下，空气在下降的过程中变得紧密且温度增高。空气每下降100m，气温则会上升1℃。因此，空气沿着高大的山岭沉降到山麓的时候，气温常会有大幅度地提升。背风面空气的温度也总是比迎风面的高。每当背风山坡刮炎热干燥的焚风时，迎风山坡却常常下雨或落雪。

危害：会造成果木和农作物的干枯，形成森林大火。当然也可以加速冬季积雪融化，利于早点使草木生长。

一、风的形成风的大小随机性：速度大小和方向随时间不断变化，能量和功率随之发生改变。可能是短时间波动，或昼夜变化，或季节变化。风速由平均风和脉动风组成平均风速大小与测量点有关，我国规定标准高度为10m，风力等级采用1805年英国人浦福拟定2.2风的特性二、风的特性

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。二、风的特性平均风速风速是指空气的移动速度，单位时间内空气微团移动的距离。瞬时风速称为有效风速，即实际发生作用的风速，通常指很短时间间隔内的风速。平均风速是很长时间内风速的平均值，实际上是在较长时间范围内，多次风速测量的平均值，即我国规定时间间隔10min二、风的特性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。

风剪切：风速随距地面的高度增加而变化的规律

对数率变化：距地面100m高度范围内二、风的特性指数率变化

多数国家采用的经验指数分布

我国n取0.16—0.20二、风的特性平均风速变化因素：随时间变化随地形地貌变化障碍物的影响随时间(日和季节)均发生变化地形地貌山脉的影响风速受障碍物和地形影响较大当穿越粗糙表面，风速和风向迅速地发生改变。在障碍物的附近产生很强的湍流，并下风方向远处逐渐减弱，减小风力机的有效功率，且会增加风力机的疲劳载荷。二、风的特性①障碍物对风速的影响

在垂直方向，最大高度达障碍物高度的2倍。风力机叶片最低点是3倍障碍物高度时，则障碍物对风力机的影响可以忽略。但若风力机前有较多障碍物时，则此时必须考虑障碍物的影响。在风电场选址时应考虑到附近区域的障碍物。二、风的特性湍流强度和延伸长度与障碍物的高度有关。湍流区长度可高达障碍物的2倍，背风侧湍流延伸长度可达障碍物高度的10～20倍。而且障碍物高宽比越小，湍流衰减越快；高宽比越大，湍流区越大。在高宽比无限大的极端条件下，湍流区长度可以达到障碍物高度的35倍。对于长而地表沿坡度平缓的山脊，其顶部及迎风面的上半部一般都是最好的风场；而在其背风面，因可能存在湍流而不设置风力机。

②山脉对风的影响二、风的特性山脊、丘陵和悬崖的形态极大地影响着风廓线。光滑的山脊会加速穿越的气流，这是因风通过山脊时受阻压缩而引起的。山脊的形状决定了加速的程度，表面裸露时，对风速影响更加明显。若山脊的斜率为6°～16°，则加速明显；但若斜率超过27°或低于3°，则加速不明显，不利于风力发电。

另一重要因素是山脊走向。若盛行风的方向与脊线垂直，则加速效应更明显。若山脊脊线与盛行风平行，则对风速无加速效应。

山的缺口、走向与风平行，风速会提高，俗称为“风口”。当风穿越山区障碍物之间的间隙时，由于喷管效应，速度会增强。间隙的几何参数，如宽度、长度、坡度等是决定加速程度的主要因素。若两座高山之间的间隙面向风向，则是一个极佳的风电厂址。

二、风的特性平均风速分布通常用双参数威布尔分布或瑞利分布描述双参数威布尔分布平均风速的变化是随机的数理统计具有统计规律概率分布函数概率密度函数二、风的特性K=2为瑞利分布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。气象台预报风时，当风向在某个方向左右摆动不能确定时，则加以“偏”字，如在北风方位左右摆动，则叫偏北风。静风记“C”

。风向与风频风向测量单位，陆地一般用16个方位表示，海上则多用36个方位表示。

风向是风电场选址的一个重要因素。若欲从某一特定方向获得所需的风能，则必须避免此气流方向上有任意的障碍物。为什么研究风向？二、风的特性风频？？？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。某风向频率=某风向出现的次数／风向的总观测次数×100％风频玫瑰图：计算出各风向的频率数值后，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。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。二、风的特性

风速玫瑰图:用同样的方法表示各方向的平均风速。

风能玫瑰图:如果表示时间的百分比和风速的3次方，这有助于确定从不同方向获取的能量。二、风的特性风速频率

定义：一定时间内某风速时数占各风速出现总时数的百分比，又称风速的重复性。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。是风频吗？

从风能利用的观点看，哪条曲线所代表的风况比较好？why？二、风的特性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。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，进行较长时间的观测，并用电子计算机作出风能特性的分析。二、风的特性脉动风脉动风速：瞬时风速与平均风速的差值，平均值为0概率密度函数接近于高斯分布或正态分布，随高度减小而增加。湍流强度描述脉动风速的相对强度，均方根值与平均风速之比纵向湍流度地面边界层：主要考虑纵向湍流度二、风的特性阵风系数阵风风速与平均风速之比，与湍流强度有关。湍流强度大，阵风系数大持续时间长，阵风系数小二、风的特性极端风较少出现的强风，主要用于风力发电机极端载荷计算极端风种类热带气旋寒潮大风龙卷风重现期设计最大风速：大于各年份最大风速平均值的风速重现期：风速出现的间隔时间，50年~100年最大风速概率分布尺度参数和位置参数可由平均最大风速和均方根值计算最大设计风速用最大风速累计分布函数求得二、风的特性主要目的：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。基本参数：风速、风向、气温等基本要求：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②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。2.3风的测量与估计

三、风的测量风向测量由风向标测量，通过环形电位计、光电管和码盘等风速测量

旋转式风速仪（杯状风速仪和螺旋桨式风速仪）；压力类风速仪（压管风速仪、压板风速仪和球状风速仪）；热电风速仪（热线风速仪和热板风速仪）;相移风速仪（超声波风速仪和激光多普勒风速仪）。风向仪装置，由尾翼、指向杆、平衡锤及旋转主轴4部分组成的首尾不对称平衡装置。三、风的测量测量风能的最常用的风速仪是杯状风速仪。风杯的外形或者是半球形的，或者是圆锥状的，由轻质材料制成。杯状风速仪是一个阻力装置。风杯达到匀速转动的时间要比风速的变化来得慢（滞后性），用风杯作感应器的风速表，测定平均风速比较好，而测瞬时风速则准确度较差。桨叶有平板叶片的风车式和螺旋桨式两种，桨叶旋转方向始终正对风向，螺旋桨以与风速成正比的速度旋转。螺旋桨式风速仪可以保持转速与所测风速间相当好的线性关系。杯形风速计螺旋桨式风速仪三、风的测量压力板内摆动的幅度取决于风的强度，故摆动板可用来直接校准风速。而且，压力板风速仪适合用来测量大风。

热线风速仪超声波风速仪压力板风速仪三、风的测量风速表的标定是在校准风洞中进行的，校准风洞最常用的是射流式校准风洞。射流式校准风洞有稳流段和收缩段构成，稳流段内装有整流网和整流栅格。射流式校准风洞测量系统1—稳流段；2—总压管；3—收敛性；4—静压测孔；5—被标定的皮托管；6，7—微压计标定：三、风的测量定义：空气运动产生的动能称为“风能”。

单位时间内垂直流过截面A的空气拥有的做功能力，称为风能功率(W)2.4风能

风能功率与风速的立方成正比，与流动空气密度和垂直流过的投影面积成正比。

四、风能资源风能密度是估计风能潜力大小的一个重要指标。定义：单位时间内通过单位截面积的风能。ρ值的大小随气压、气温和湿度等大气条件的变化而变化。在海拔高度500m以下，ρ取1.225kg/m3，若海拔超过500m，必须考虑空气密度的变化。

风能密度四、风能资源平均风能密度：一定时间周期（如一年或一月）内风能密度的平均值。

可直接利用观测资料计算平均风能密度。根据平均风能密度计算公式，先计算每个小时的风能密度，然后再求和，并按全年小时数平均，就可得到年平均风能密度。四、风能资源风能密度数学期望平均风速威布尔分布风能密度期望：期望则风能密度分布仍然是威布尔分布估计平均风能密度主要采用威布尔分布估计，需要计算参数c,k，通过平均风速分布可以估算四、风能资源最小二乘估计法小于风速的累计风频取对数：通过最小二乘法拟合得到系数，而后反算威布尔分布参数，最后估计风能密度四、风能资源平均风速和标准差估计法威布尔分布数学期望(均值)和方差则：估算k估算c通过离散测量的风速计算平均风速和标准方差，而后估算威布尔分布参数k和c。四、风能资源平均风速和最大风速估计法最大风速是指在规定时间段内任一个10min最大风速值由最大风速和平均风速可估算威布尔参数k和c。估算k估算c四、风能资源实际上，风能不可能全部转换成机械能，风力机不能获得全部理论上的能量。当风速由0逐渐增加达到某一风速Vm（切入风速）时，风力机才开始提供功率。该风速下，风轮轴上的功率等于整机空载时自身消耗的功率，风力机还不能对用户输出功。

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