南京工業(yè)大學風力發(fā)電原理第二章

風力發(fā)電原理譚劍鋒第二章風能及轉換原理第二章風能及轉換原理需要掌握：風的形成（大氣環(huán)流、季風、陸海風、山谷風）風的測量(測試系統(tǒng)、測量方法)風能資源(風能特點、風能密度計算方法、選址)風特點（風速、風向表示方式）形成原因：太陽輻射造成地球表面的大氣受熱不均，溫度差異造成大氣層的壓力分布不均。在壓力差的作用下，空氣流沿水平方向由高壓區(qū)向低壓區(qū)流動，形成了風。風能：風所具有的動能為風能。風能是太陽能的一種轉化形式。

風是指空氣相對于地球表面的運動，是由于大氣中熱力和動力的空間不均勻性所致，通常指水平方向的空氣運動2.1風的形成一、風的形成彎曲的線是等壓線。閉合的等壓線如果其氣壓值高于周圍，則稱為高氣壓區(qū)，相反稱為低氣壓區(qū)。如同山峰的山脊和山谷，從高氣壓伸展出來的部分稱為高壓脊，從低氣壓伸展出來的部分稱為低壓槽。氣壓與風的關系

17世紀意大利拖里拆里發(fā)明氣壓表，法國帕斯卡發(fā)現大氣壓與高度關系。一、風的形成氣壓梯度：等壓線的疏密程度表示了單位距離內氣壓差的大小。等壓線越密集，氣壓梯度越大。氣壓梯度力：由于氣壓梯度而產生的旁壓力。氣壓梯度力把兩地間的空氣從氣壓高的區(qū)域推向氣壓低的區(qū)域，空氣流動從而形成了風。氣壓梯度力越大，空氣流動速度越快，風速越大。地轉偏向力：地球自轉而使空氣水平運動發(fā)生偏向的力。隨風速增大而增大，且與風向始終垂直。

大氣受力：氣壓梯度力、地轉偏轉力、摩擦力、離心力一、風的形成左、右手法則進行判別偏轉方向。

北半球：右手法則南半球：左手法則。氣壓和風的相互關系：風速與氣壓梯度成正比，風向與等壓線成平行。

在地轉偏向力的作用下，風向不斷發(fā)生偏轉。到風向被偏轉到與氣壓梯度力角度為90°，此時氣壓梯度力對風的分作用力為0。氣壓梯度力與地轉偏向力正好相反，大小相等，達到平衡。在平衡狀態(tài)下，風向與氣壓等壓線保持平行。

一、風的形成風的尺度小尺度：米~千米，秒~天，對風電機組設計產生主要影響中尺度:千米~百千米，分鐘~周，雷暴和風天氣尺度：百千米~千千米，天~周，天氣預報尺度行星尺度：>千千米，>周,全球季節(jié)性變化一、風的形成全球性風大氣環(huán)流原因：太陽輻射不均勻，赤道和極地的溫度和氣壓差異1735年英國哈德萊(Hadley)單圈循環(huán)模型，沒有地球轉動影響1856年美國人費雷爾(Ferrel)的“三圈環(huán)流”“費雷爾環(huán)流圈”，盛行西風帶構成“極地環(huán)流圈”一、風的形成“副熱帶高壓”，地球偏轉力，維度30平行，氣流下沉“哈德萊環(huán)流圈”，東北信風帶構成季風原因：海陸比熱不同而造成的熱力差異，形成大尺度、隨季節(jié)交替變化的局部熱力環(huán)流夏季:大陸增熱比海洋劇烈，海上形成高壓，大陸形成低壓，空氣從海上流向大陸，而高空形成了與底層氣流方向相反的氣流，構成了夏季季風環(huán)流。冬季:大陸比海洋溫度低，大陸的氣壓比海洋的高。底層氣流由大陸吹向海洋，高層氣流由海洋流向大陸，形成了冬季季風環(huán)流。最著名的是東南亞季風區(qū)。在夏季，從印度洋和西南太平洋來的暖、濕空氣向北和西北方向移動進入亞洲大陸，進入印度、中南半島和中國。在冬季，亞洲大陸為一強盛高壓中心所控制，氣流自高壓中心向外流動，其方向與夏季季風正相反。東亞季風對我國、朝鮮、日本等地區(qū)的天氣和氣候影響很大。這些地區(qū)的氣候特征，在冬季表現為低溫、干旱和少雨；夏季是高溫、濕潤和多雨。一、風的形成季節(jié)性變化特點明顯，日夜變化也有規(guī)律①海陸風海風:白晝時，大陸表面空氣的升溫速度較快，氣流流向海洋。大陸表面形成低壓區(qū)，近地層海洋產生高壓區(qū)，海平面上的空氣向陸地流動。4~7m/s陸風:夜間，海洋釋放熱量，氣流降溫較慢，地面降溫較快，從而使地表的空氣從陸地流向海面，2m/s一、風的形成

海陸風是由海陸熱力差異引起的，其影響范圍僅局限于沿海，風向變換以一天為周期。

中緯度地區(qū):海風可以從海岸線深入陸地50km。

低緯度地區(qū):海風風速可達4~8m/s，陸風一般只有1~3m/s。一、風的形成山谷風

“谷風”:在山區(qū)，白天風從山谷吹向山坡；“山風”:到夜間，風從山坡吹向山谷。

山風和谷風統(tǒng)稱為山谷風，其形成原理與海陸風相似,會生成很強的氣流，進而形成強風.谷風的平均速度為2～4m/s，有時可達7～10m/s。谷風通過山隘時風速加大。山風比谷風小一些。谷風所達厚度一般為谷底以上500～1000m。一、風的形成焚風

定義：當氣流跨越山脊時，背風面產生一種熱而干燥的風。

條件：山嶺兩面氣壓不同的條件下發(fā)生。

分析：山嶺一側是高氣壓，另一側是低氣壓時，空氣從高氣壓區(qū)向低氣壓區(qū)流動。受山阻礙被迫上升，氣壓降低，空氣膨脹，溫度也隨之降低?？諝饷可仙?00m，氣溫則下降0.6℃?？諝馍仙揭欢ǜ叨葧r，水汽遇冷凝結，形成雨水?？諝獾竭_山脊附近后變得稀薄干燥，然后翻過山脊，順坡而下，空氣在下降的過程中變得緊密且溫度增高。空氣每下降100m，氣溫則會上升1℃。因此，空氣沿著高大的山嶺沉降到山麓的時候，氣溫常會有大幅度地提升。背風面空氣的溫度也總是比迎風面的高。每當背風山坡刮炎熱干燥的焚風時，迎風山坡卻常常下雨或落雪。

危害：會造成果木和農作物的干枯，形成森林大火。當然也可以加速冬季積雪融化，利于早點使草木生長。

一、風的形成風的大小隨機性：速度大小和方向隨時間不斷變化，能量和功率隨之發(fā)生改變?？赡苁嵌虝r間波動，或晝夜變化，或季節(jié)變化。風速由平均風和脈動風組成平均風速大小與測量點有關，我國規(guī)定標準高度為10m，風力等級采用1805年英國人浦福擬定2.2風的特性二、風的特性

零級無風炊煙上，一級軟風煙稍斜，二級輕風樹葉響，三級微風樹枝晃，四級和風灰塵起，五級清風水起波，六級強風大樹搖，七級疾風步難行，八級大風樹枝折，九級烈風煙囪毀，十級狂風樹根拔，十一級暴風很罕見，十二級颶風浪濤天。二、風的特性平均風速風速是指空氣的移動速度，單位時間內空氣微團移動的距離。瞬時風速稱為有效風速，即實際發(fā)生作用的風速，通常指很短時間間隔內的風速。平均風速是很長時間內風速的平均值，實際上是在較長時間范圍內，多次風速測量的平均值，即我國規(guī)定時間間隔10min二、風的特性風速隨高度的增加而變化

地面上風速較低的原因是由于地表植物、建筑物以及其他障礙物的磨擦所造成的。

風剪切：風速隨距地面的高度增加而變化的規(guī)律

對數率變化：距地面100m高度范圍內二、風的特性指數率變化

多數國家采用的經驗指數分布

我國n取0.16—0.20二、風的特性平均風速變化因素：隨時間變化隨地形地貌變化障礙物的影響隨時間(日和季節(jié))均發(fā)生變化地形地貌山脈的影響風速受障礙物和地形影響較大當穿越粗糙表面，風速和風向迅速地發(fā)生改變。在障礙物的附近產生很強的湍流，并下風方向遠處逐漸減弱，減小風力機的有效功率，且會增加風力機的疲勞載荷。二、風的特性①障礙物對風速的影響

在垂直方向，最大高度達障礙物高度的2倍。風力機葉片最低點是3倍障礙物高度時，則障礙物對風力機的影響可以忽略。但若風力機前有較多障礙物時，則此時必須考慮障礙物的影響。在風電場選址時應考慮到附近區(qū)域的障礙物。二、風的特性湍流強度和延伸長度與障礙物的高度有關。湍流區(qū)長度可高達障礙物的2倍，背風側湍流延伸長度可達障礙物高度的10～20倍。而且障礙物高寬比越小，湍流衰減越快；高寬比越大，湍流區(qū)越大。在高寬比無限大的極端條件下，湍流區(qū)長度可以達到障礙物高度的35倍。對于長而地表沿坡度平緩的山脊，其頂部及迎風面的上半部一般都是最好的風場；而在其背風面，因可能存在湍流而不設置風力機。

②山脈對風的影響二、風的特性山脊、丘陵和懸崖的形態(tài)極大地影響著風廓線。光滑的山脊會加速穿越的氣流，這是因風通過山脊時受阻壓縮而引起的。山脊的形狀決定了加速的程度，表面裸露時，對風速影響更加明顯。若山脊的斜率為6°～16°，則加速明顯；但若斜率超過27°或低于3°，則加速不明顯，不利于風力發(fā)電。

另一重要因素是山脊走向。若盛行風的方向與脊線垂直，則加速效應更明顯。若山脊脊線與盛行風平行，則對風速無加速效應。

山的缺口、走向與風平行，風速會提高，俗稱為“風口”。當風穿越山區(qū)障礙物之間的間隙時，由于噴管效應，速度會增強。間隙的幾何參數，如寬度、長度、坡度等是決定加速程度的主要因素。若兩座高山之間的間隙面向風向，則是一個極佳的風電廠址。

二、風的特性平均風速分布通常用雙參數威布爾分布或瑞利分布描述雙參數威布爾分布平均風速的變化是隨機的數理統(tǒng)計具有統(tǒng)計規(guī)律概率分布函數概率密度函數二、風的特性K=2為瑞利分布風是具有大小和方向的矢量，通常把風吹來的地平方向定為風向空氣由東向西流動叫東風，由南向北流動叫南風，以此類推。氣象臺預報風時，當風向在某個方向左右擺動不能確定時，則加以“偏”字，如在北風方位左右擺動，則叫偏北風。靜風記“C”

。風向與風頻風向測量單位，陸地一般用16個方位表示，海上則多用36個方位表示。

風向是風電場選址的一個重要因素。若欲從某一特定方向獲得所需的風能，則必須避免此氣流方向上有任意的障礙物。為什么研究風向？二、風的特性風頻？？？風頻是指風向的頻率，即在一定時間內某風向出現的次數占各風向出現總次數的百分比。某風向頻率=某風向出現的次數／風向的總觀測次數×100％風頻玫瑰圖：計算出各風向的頻率數值后，用極坐標的方式將這些數值標在風向方位圖上，把各點聯(lián)線后形成一幅代表這一段時間內風向變化的風況圖。在實際的風能利用中，總是希望某一風向的頻率盡可能大些，尤其是不希望在較短的時間內出現風向頻繁變化的情況。二、風的特性

風速玫瑰圖:用同樣的方法表示各方向的平均風速。

風能玫瑰圖:如果表示時間的百分比和風速的3次方，這有助于確定從不同方向獲取的能量。二、風的特性風速頻率

定義：一定時間內某風速時數占各風速出現總時數的百分比，又稱風速的重復性。按相差1m/s的時間間隔觀測1年(1月或1天)內各種風速吹風時數與該時間間隔內吹風總時數的百分比，稱為風速頻率分布。是風頻嗎？

從風能利用的觀點看，哪條曲線所代表的風況比較好？why？二、風的特性利用風速頻率分布可以計算某一地區(qū)單位面積上全年的風能。如測出風力機安裝地點的風速頻率，又已知該風力機的功率曲線，就可以算出該風力機每年的發(fā)電量。在風能利用中，特別是對于風力發(fā)電，要選擇風頻和風速變化比較穩(wěn)定的地點。在現代風能利用中，必須首先了解當地的風能特性，進行較長時間的觀測，并用電子計算機作出風能特性的分析。二、風的特性脈動風脈動風速：瞬時風速與平均風速的差值，平均值為0概率密度函數接近于高斯分布或正態(tài)分布，隨高度減小而增加。湍流強度描述脈動風速的相對強度，均方根值與平均風速之比縱向湍流度地面邊界層：主要考慮縱向湍流度二、風的特性陣風系數陣風風速與平均風速之比，與湍流強度有關。湍流強度大，陣風系數大持續(xù)時間長，陣風系數小二、風的特性極端風較少出現的強風，主要用于風力發(fā)電機極端載荷計算極端風種類熱帶氣旋寒潮大風龍卷風重現期設計最大風速：大于各年份最大風速平均值的風速重現期：風速出現的間隔時間，50年~100年最大風速概率分布尺度參數和位置參數可由平均最大風速和均方根值計算最大設計風速用最大風速累計分布函數求得二、風的特性主要目的：正確估計某地點可利用風能的大小，為裝備風力機提供風能數據。內容：風向測量和風速測量兩項?；緟担猴L速、風向、氣溫等基本要求：作為計算風能資源基本依據的每小時風速值有3種不同的測算方法：①將每小時內測量的風速值取平均值：②將每小時最后10min內測量的風速值取平均值；③在每小時內選幾個瞬時測量風速值再取其平均值。世界氣象組織推薦10min平均風速，中國目前也采用10min平均風速．即第②種方法。測量點上配有自動記錄儀器，對風向和風速作連續(xù)記錄，從中整理出各正點前10min的平均風速和最多風向，并選取日最大風速(10min平均)和極大風速(瞬時)以及對應的風向和出現時間。2.3風的測量與估計

三、風的測量風向測量由風向標測量，通過環(huán)形電位計、光電管和碼盤等風速測量

旋轉式風速儀（杯狀風速儀和螺旋槳式風速儀）；壓力類風速儀（壓管風速儀、壓板風速儀和球狀風速儀）；熱電風速儀（熱線風速儀和熱板風速儀）;相移風速儀（超聲波風速儀和激光多普勒風速儀）。風向儀裝置，由尾翼、指向桿、平衡錘及旋轉主軸4部分組成的首尾不對稱平衡裝置。三、風的測量測量風能的最常用的風速儀是杯狀風速儀。風杯的外形或者是半球形的，或者是圓錐狀的，由輕質材料制成。杯狀風速儀是一個阻力裝置。風杯達到勻速轉動的時間要比風速的變化來得慢（滯后性），用風杯作感應器的風速表，測定平均風速比較好，而測瞬時風速則準確度較差。槳葉有平板葉片的風車式和螺旋槳式兩種，槳葉旋轉方向始終正對風向，螺旋槳以與風速成正比的速度旋轉。螺旋槳式風速儀可以保持轉速與所測風速間相當好的線性關系。杯形風速計螺旋槳式風速儀三、風的測量壓力板內擺動的幅度取決于風的強度，故擺動板可用來直接校準風速。而且，壓力板風速儀適合用來測量大風。

熱線風速儀超聲波風速儀壓力板風速儀三、風的測量風速表的標定是在校準風洞中進行的，校準風洞最常用的是射流式校準風洞。射流式校準風洞有穩(wěn)流段和收縮段構成，穩(wěn)流段內裝有整流網和整流柵格。射流式校準風洞測量系統(tǒng)1—穩(wěn)流段；2—總壓管；3—收斂性；4—靜壓測孔；5—被標定的皮托管；6，7—微壓計標定：三、風的測量定義：空氣運動產生的動能稱為“風能”。

單位時間內垂直流過截面A的空氣擁有的做功能力，稱為風能功率(W)2.4風能

風能功率與風速的立方成正比，與流動空氣密度和垂直流過的投影面積成正比。

四、風能資源風能密度是估計風能潛力大小的一個重要指標。定義：單位時間內通過單位截面積的風能。ρ值的大小隨氣壓、氣溫和濕度等大氣條件的變化而變化。在海拔高度500m以下，ρ取1.225kg/m3，若海拔超過500m，必須考慮空氣密度的變化。

風能密度四、風能資源平均風能密度：一定時間周期（如一年或一月）內風能密度的平均值。

可直接利用觀測資料計算平均風能密度。根據平均風能密度計算公式，先計算每個小時的風能密度，然后再求和，并按全年小時數平均，就可得到年平均風能密度。四、風能資源風能密度數學期望平均風速威布爾分布風能密度期望：期望則風能密度分布仍然是威布爾分布估計平均風能密度主要采用威布爾分布估計，需要計算參數c,k，通過平均風速分布可以估算四、風能資源最小二乘估計法小于風速的累計風頻取對數：通過最小二乘法擬合得到系數，而后反算威布爾分布參數，最后估計風能密度四、風能資源平均風速和標準差估計法威布爾分布數學期望(均值)和方差則：估算k估算c通過離散測量的風速計算平均風速和標準方差，而后估算威布爾分布參數k和c。四、風能資源平均風速和最大風速估計法最大風速是指在規(guī)定時間段內任一個10min最大風速值由最大風速和平均風速可估算威布爾參數k和c。估算k估算c四、風能資源實際上，風能不可能全部轉換成機械能，風力機不能獲得全部理論上的能量。當風速由0逐漸增加達到某一風速Vm（切入風速）時，風力機才開始提供功率。該風速下，風輪軸上的功率等于整機空載時自身消耗的功率，風力機還不能對用戶輸出功。

風速繼續(xù)增加，達到某一確定值VN(額定風速)，在該風速下風力機提供額定功率或正常功率。超過該值時，利用調節(jié)