用于风电项目的风测量技术.doc

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1、风的测量一、任务导入风很早就被人们利用主要是通过风车来抽水、磨面。现在，人们感兴趣的，首先是如何利用风来发电。风是一种潜力很大的新能源，地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦，几乎是现在全世界水力发电量的10倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此，国内外都很重视利用风力来发电，开发新能源。二、相关知识风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力，特别是对沿海岛屿、交通不便的边远山区、地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。学习情境1 风力资源的基本知识（一）

2、风的形成风是一种自然现象，地球表面的空气水平运动称之为风，风是地球外表大气层由于太阳的热辐射而引起的空气流动。太阳辐射对地球表面不均匀性加热是形成风的主要成因，太阳对地球的辐射，透过厚厚的大气层，到达地球表面，地球表面各处(海洋和陆地，高山岩石和平原土壤，沙漠、荒原和植被、森林地区)吸收热量不同；由于地球自转、公转、季节、气候的变化和昼夜温差的影响，使地表各处散热情况也各不相同，散热多的地区，靠近地表的空气受热膨胀，压力减少，形成低气压区，这时空气从高气压区向低气压区流动，这就产生了风，也就是说风能最终还是来自太阳能。受地形、地貌的差异，地球自转、公转的影响，更加剧了空气流动的力量和流动方向的

3、多变性，使风速和风向的变化更加复杂。简单地说，太阳的辐射造成地球表面受热不均，引起大气层中压力分布不均，空气沿水平方向运动形成风，风的形成就是空气流动的结果。大气压差是风产生的根本原因，由于大气层中的压力分布不均，从而使空气沿水平方向运动，空气流动所形成的动能称为风能。据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2转化为风能，但其总量仍是十分可观的。地球上全部风能估计约为21017kW，其中，可利用的约为21010kW，这个能量是相当大的，是地球水能的十倍。因此也可以说风能是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源。（二）风的种类为了区别不同的风，我们给它们都取个名字。下面就让我们分别认识它们吧。1贸易风。

4、在地球赤道上，热空气向空间上升，分为流向地球南北两极的两股强力气流，在纬度30附近，这股气流下降，并分别流向赤道与两极。在接近赤道地区，由于大气层中大量的空气环流，形成了固定方向的风，自古以来，人们利用这种定向风，开展海上远洋贸易，所以称为贸易风。由于地球自西向东旋转的结果，贸易风向西倾斜，此时北半球便产生了东北风，而南半球则产生了东南风。2旋风和反旋风。在地球南北两极流向赤道的冷空气气流与赤道流向两极的热空气气流相遇处(在纬度5060附近)构成了涡流运动，形成旋风和反旋风。3地区性风。由于地形的差异(如陆地、海洋、山岳、森林、沙漠)，使在同一纬度上受到程度不同的加热，因而产生了地区性风。白天

5、山坡受热快，温度高于山谷上方同高度的空气温度，坡地上的暖空气从山坡流向谷地上方，谷地的空气则沿着山坡向上补充流失的空气，这时由山谷吹向山坡的风，称为谷风。夜间，山坡因冷却降温速度比同高度的空气快，冷空气沿坡地向下流入山谷，称为山风。如图1-1所示。山谷能改变气流运动的方向，还能使风速增大，而丘陵、山地会因为摩擦而使风速减小，孤立的山峰会因海拔高而使风速增大。图1-1 山谷风形成示意图（a 白天，b 夜间）4轻风。由于昼夜之间的温度变化而产生的沿海岸风称为轻风，在有太阳时，陆地所接受的热量较海洋强烈，因而陆地上空的空气较轻，于是陆地上空的空气向上升，冷空气力图自海洋流向沿岸陆地，于是产生了海风。

6、陆地上的热空气则流向海洋，到离海岸某一距离处下降。而在夜间，陆地上的空气比海洋上的空气冷却较快，因此，陆地上的下层空气流向海洋，而上层空气则由海洋流向陆地，形成了与白昼相反的风向，称为陆地风。轻风方向的更换决定于地形条件。海风通常自上午910时开始，陆地风则在日落以后开始。轻风仅在沿海岸才遇到，流动的距离约为在海洋和陆地两方各40km之间。如图1-2所示。图1-2 海陆风形示意图5.季节风。陆地上每年的温度变化较海洋大，同样也引起与轻风相似，但具有季节性的气流循环，它的强度大于轻风的气流循环强度，这种风称为季节风。6平原和山岳风。山岳地区在一昼夜间有周期性的风向变换，与轻风相似，平原风每日上午

7、自910时至日落沿山岳的坡度向高处流动，在夜间则与此相反，气流自山岳流向平原，形成了山岳风。如果平原处于海岸处，则会引起特别强劲的风，因在夜间，山岳风被陆地风增强了，而在日间，平原风被海风增强。夜间的山岳风的产生则是由于山顶的冷空气具有较大密度，流向平原，形成夜间山岳风。平原风的产生则是由于日照山岳斜面上的空气较平原上的空气热，因此地势低处的空气膨胀，引起空气流动。（三）风的特点1风随时间变化。在一天内，风的强弱是随机变化的。在地面上，白天风大，而夜间风小；相反，在高空中却是夜间风大，白天风小。在沿海地区，由于陆地和海洋热容量不同，白天产生海风(从海洋吹向陆地)；夜间产生陆风(从陆地吹向海洋)

8、。在不同的季节，太阳和地球的相对位置也发生变化，使地球上存在季节性温差，因此，风向和风的强度也会发生季节性变化。在我国，大部分地区风的季节性变化规律是：春季最强，冬季次强，秋季第三，夏季最弱。2风随高度变化。由于空气的黏性和地面摩擦的影响，风速随高度变化还因地面的平坦度，地表粗糙度以及风通道上的气温变化不同而异。特别是受地表粗糙度的影响程度最大。从地球表面到10000m高空层内，空气的流动受到涡流、黏滞和地面摩擦等因素的影响，风速随着高度的增加而增大。通过实验，常用计算风速随高度的变化的公式有：指数公式 （ 1-1）对数公式 （ 1-2）式中：vl为高度为h1的风速；hl为高度(一般为10m)

9、；v为待测高度h处的速度；h为待测点离地高度；h0为风速为零的高度；n为指数，取决于地面的平整度(粗糙度)和大气的稳定度，取值范围为1812。在开阔、平坦、稳定度正常的地区，n值取17。粗糙度大的大城市常取13，一般上下风速差较小，n较小，反之n值取大。3风变化的随机性。自然风是一种平均风速与激烈变动的瞬间紊乱气流相重合的风，气流紊乱主要与地面的摩擦有关，除此之外，当风速与稳定层是垂直分布时会产生重力波，在山风下侧也会产生山岳波。这种紊乱气流不仅影响风速，也明显影响风向。如果按时间区分，可将风向的变化区分为：1）一年或一个月内风向的趋势。2）短时间内变动的紊乱气流。3）介于两者之间的平均风向。

10、总之，风的特点为：风的变化性和不稳定性；风力大小从地球表面，随海拔的升高而增大；空气的密度随海拔的升高而减小。（四）风的基本特征风作为一种自然现象，有它本身的特性。通常采用风速、风频等基本指标来表述。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。风速的单位常以ms、kmh、mileh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：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；2）平均风速：在某一段时间内，瞬时风速的算术平

11、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。当年平均风速大于5m/s时，风能的开发才有经济价值。2风频风频分为风速频率和风向频率。1)风速频率：各种速度的风出现的频繁程度，对于风力发电的风能利用而言，为了有利于风力发电机平稳运行，便于控制，希望平均风速高、风速变化小。2)风向频率：各种风向出现的频繁程度，对于风力发电的风能利用而言，总是希望某一风向的频率尽可能的大。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

12、，如图1-3所示。 图1-3 风向16方位图 图1-4 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。如图1-4所示。（五）风能、风能密度1风能就是空气的动能，是指风所负载的能量，风能的大小决定于风速和空气的密度。风的能量是由太阳辐射能转化来的，太阳每小时辐射地球的能量是1741017W。风能占太阳提供总能量的12，太阳辐射能量中的一部分被地球上的植物转换成生物能，而被转化的风能总量大约是生物能的50100倍。著名的风能公式如下 （1-3）式中：为

13、空气密度(kgm2 )；v为风速(ms)；t为时间(s)；S为截面面积(m2 )。它是风能利用中常用的公式。由风能公式可以看出，风能主要与风速、风所流经的面积、空气密度三个因素有关，其关系如下： （1）风能（E）的大小与风速的立方（v3）成正比。也就是说，影响风能的最大因素是风速。 （2）风能（E）的大小与风所流经的面积（S）成正比。对于风力发电机来说，就是风能与风力发电机的风轮旋转时扫过的面积成正比。由于通常用风轮直径作为风力发电机的主要参数，所以风能大小与风轮直径的平方成正比。（3）风能（E）的大小与空气密度（）成正比。空气密度是指单位体积（m3）所容纳空气的质量（千克）。因此，计算风能时

14、，必须要知道空气密度值。空气密度值与空气的湿度、温度和海拔高度有关，可以从相关的资料中查到。2风能密度：表征一个地点的风能资源，要视该地区风况和常年平均风能密度的大小。风能密度是单位面积上的风能，对于风力机来说，风能密度是指风轮扫过单位面积的风能，即空气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。 （1-4）式中：为空气密度（kg/m2）； v为平均风速（m/s）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

15、，风能密度高；高山地区气压低，空气稀薄，风能密度小。风力机要根据当地的风况确定一个风速来设计的，该风速称为设计风速或额定风速，它与额定功率相对应。由于风的随机性，风力机不可能始终在额定风速下运行。因此风力机就有一个工作风速范围，即从切人风速到切出速度，称为工作风速，即有效风速。依此计算的风能密度称为有效风能密度。全年平均风速在320m/s，平均有效风能密度在l00W/m2以上风力资源较丰富的地区才能进行风力发电。（六）风力等级1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。根据理论计算和实践结果，把具有一定风速的风，通常是指320ms的风作为一种能量资源加以开发，用来做功(如发电)，把这一范围的风称为有效风能或风能资源。因为风速低于3ms时，它的能量太小，没有利用的价值，而风速大于20ms时，它对风力