1、风电基础知识目录n风电行业特点及其相关核心知识概述n风资源知识n风区分类IEC、GL标准n空气动力学n风机分类n风机基本控制概念n风机设计及其模拟软件Bladed介绍能源增长历史能源利用历史化石与核能的使用只是人类历史长河的一瞬间石油年生产能源强度 （总耗能/国家生产总值GNP）风电行业特点及其相关核心知识概述风电行业特点及其相关核心知识概述n我国一次商品能源消费我国一次商品能源消费结构结构n世界一次商品能源消费世界一次商品能源消费结构结构能源消费的国际比较能源消费的国际比较消费结构消费结构能源资源的特点和国际比较能源资源的特点和国际比较探明总资源量8230亿吨标准煤，探明剩余可采总储量139
2、0亿吨标准煤剩余可采储量的保证程度煤炭81年、石油15年、天然气30年,铀50年。以煤为主，缺乏石油、天然气资源，水能较丰富人均能源资源量低于世界平均水平单位：年能源价格对比根据国内风电成本测算得到的包括财务成本在内的风电平均成本为0.551元/( kWh)，在使用期的总成本费用已经接近新投资的水电和火电。 2006年电力装机及发电量比例单位GDP能耗n为了保护环境，我国政府已经出台了降耗规划：“十一五”期间，全国单位国内生产总值能源消耗指标从2005年的1.22吨标煤/万元下降到2010年的0.98吨标煤/万元，降幅近20%。为什么要发展风力发电？ n（1）化石能源有限，发展风电有利于提高中
3、国能源供应的安全性n（2）风能储量大、广泛，发展风电是解决中国能源供应不足的有效途径n（3）风电清洁，发展风电是减排温室气体排放的有效途径. ( 京都议定书 签订后，CDM机制）n（4）发展风电可以促进地区经济发展，并拉动机电制造业发展及解决就业。（如：丹麦）但到目前为止，风电市场仍然是政策主导的市场2003年5月27日，欧洲风能协会和绿色和平组织的环境组在布鲁塞尔发布一项报告风力12，这个战略性蓝图勾画出目前价值70亿欧元的风能工业如何能在2020年增值为750亿欧元。到2020年，风力发电将在全球电力市场中占12%。全世界风力发电装机容量将达到12.31亿千瓦（123100万千瓦），创造1
4、.79亿个就业机会，使发电成本降低40%，并累计减排二氧化碳1092.1万吨。长达52页的风力12研究报告详细论证了如何实现风力发电的美好前景。中国风能资源丰富 国家气象局依据分布在中国各地10米高气象测风仪数据统计：n陆地约有 2.53亿千瓦年电量 5000亿 千瓦时 海上初步估计可开发约 7.5亿 千瓦 合计约 10亿 千瓦（2004年全国电力总装机 4.4亿 千瓦）其中内蒙和新疆 占中国风资源的约7080中国风资源分布中国风资源分布与核电和大水电发展的比较n全世界核电和大水电都是在较短时期内占到较大比例的能源技术。n核电从1960年的100万kW开始，到1997年累积装机3.43亿kW，
5、电量占16%。n大水电从1950年的4500万kW增长到1996年的7.15亿kW，电量占19%。n风电现在已经是商业化的产业，有能力成为主流电源之一。n欧洲是世界上风力发电领先的地区，根据欧洲统计局的资料，目前，风力发电的发电量已占到了欧洲总发电量的3%以上，其中，丹麦风电发电量占该国发电量的23%，德国和西班牙为13%和12%。在欧洲，风电已经成为一种重要的能源。 风电项目箱式变电（升压）变电站超高压输电风机（降压）变电站用户不包含升压变电站的项目包含升压站的项目海上变速风机的并网Principal layout of offshore wind turbines, their colle
6、ction and transmission (C&T) systems for interconnection to mains, i.e., for fungible power to the AC network and trading近海风电技术：风力发电机组Vestas 3MW2005年Kentish Flat海上风电场安装30台vestas 3MW机组，该机组额定功率3MW，机舱（包括轮毂）重量111T。风能系统经济性模型 风能经济性发电成本风资源及规律能源效率可利用率寿命直接投资成本融资成本运行维护费风能的市场价值基本价值燃料节省资本节省货币化的环境收益排放减少化学燃料使用的减少
7、风电系统发电的度电成本模型（不考虑环境效益） 部件成本组装成本运输成本风机生产成本利润风 机 购 买价格初始资本成本(ICC)风场配套设施部件失败率风场人力耗材平均维修时间备件预定时间备件成本年运行维护成本 (AOM)可利用率风频分布功率曲线驱动链效率上网损失年发电量 (AEP)固定费率(FCR)度电成本 (COE)COE=(FCR*ICC+AOM)/AEP基于20年。风电的经济性国产风电机组（国产风电机组（600kW-750kW）: 4300 元元-4500 元元/kW国产风电机组（国产风电机组（1200kW）:5700 元元/kW进口风电机组（进口风电机组（850kW-900kW）: 50
8、0 欧元欧元-540 欧元欧元/kW（折合（折合5000 元元-5400 元元/kW）进口风电机组（进口风电机组（1000kW-1500kW）: 620 欧元欧元-700 欧元欧元/kW （折合（折合6200元元-7000元元/kW）风电场建设项目总投资分析目前目前风力发电机组价格水平风力发电机组价格水平风电项目投资风电项目投资: 7000元元/KW 10000元元/KW中国风电场建设项目上网电价对比中国风电场建设项目上网电价对比 元元/kWh风电场建设项目上网电价分析0.00000.20000.40000.60000.80001.00001.20001.4000135791113151719
9、21232527293133353739目前的风电成本可控制在0.6元/度以下风机经济技术发展目标n国家规划到2020年，中国风电装机达3000万千瓦，占预测总装机10亿千瓦的3n风电成本接近常规能源，2020年目标价格0.25元/度,10米高5.8米/秒 （美国3美分/度，欧洲，2.34欧分/度）。风机单位千瓦价格：国内 45005000元/千瓦n2002年，欧洲先进的风电机组在最佳情况下运行的每千瓦装机成本约为823欧元，每度电的成本为4.04欧分；预计到2020年，装机成本会降到每千瓦497欧元，每度电的成本为2.34欧分。0246810121990Low wind speed site
10、s199520002005201020152020H i g h w i n dspeed sitesBulk Power Competitive Price Band目前的风电成本可控制在0.6元/度以下。塔架10%其他费用8%建筑工程6%联网工程7%场内变电工程5%风电机组设备64%风电项目成本构成n在中国，风电项目的固定资产投资构成比例在中国，风电项目的固定资产投资构成比例风电项目成本构成n举例：英国5MW岸上项目成本构成风机成本构成风机机舱成本构成英国风电项目中风机故障构成英国的统计风机制造行业特点n原材料密集 （体积大，重量重）n资本密集n技术密集n知识密集n研发周期长n设计周期长n
11、试制生产周期长n产品测试、认证周期长n市场：目前还是政策主导企业核心竞争力n目标野心越大，度量越大，越能包容人才。n流程做事的程序。如：产品设计流程、制造流程、工艺流程，软件的程序等。n模型 如：结构化的定性模型，功能模型（如组织机构） ，还有经验模型，估算模型（如：风湍流模型，风机成本模型），精确定量的数学模型。n数据库如：风资源数据库，产品数据库（PDM），知识库，等世界风机制造业世界风机制造业风机制造业Repower 2MW 风机 v“*S43/600”含义： *（goldwind) 公司品牌 Sstall ，即失速控制 43叶轮的直径为 43m 600发电机的额定功率为600kwv采用
12、丹麦设计概念： 上风向，三叶片，失速控制，叶尖气动刹车。 是当今风机技术最简单、成熟、可靠、安全的技术。*产品介绍40或50m43mGOLDWINDn机机 型型：失速型、带叶尖气动刹车、上风向、三叶片n额定功率额定功率：125/600kWn风轮直径风轮直径：43mn轮毂中心高轮毂中心高：40m,50m(根据塔架高度)n起动风速起动风速：3m/sn额定风速额定风速：15m/sn停机风速停机风速：25m/sn最大抗风最大抗风：70m/s（3秒）n最大风能利用系数最大风能利用系数：CPmax0.4n控制系统控制系统：计算机控制，远程监控n工作寿命工作寿命：20年600KW 风机GOLDWIND*失速
13、型风机机舱各零部件分布图1.导流罩 2.叶轮 3. 机舱4.增速箱 5.高速机械刹车 6.连轴器及安全离合器 7.油散热器 8.发电机 9.风速仪、风向标 10.提升机 11.发电机弹性支撑 12.TB1控制器 13.液压站 14. 偏航轴承 15.偏航刹车 16.偏航驱动 17.塔架 18.机舱底板 19. 齿轮箱弹性支撑GOLDWIND750KW风机风机n*S48/750机组总体技术参数n机 型：失速型、带叶尖气动刹车、上风向、三叶片n额定功率：750kWn风轮直径：48.4mn轮毂中心高：50mn起动风速：4m/sn额定风速：14-15m/s（与气候条件有关）n停机风速：25m/s（10
14、分钟）010020030040050060070080012345678910 1112 13 1415 1617 18 1920 2122 23 2425风速（m/s）功率（KWH）GOLDWIND1200KW风机无齿轮、直驱、永磁发电机结构简单紧凑，可靠性高机械传动损耗减少电机效率高运行范围宽无需励磁，无碳刷滑环发电品质高，无需进行无功补偿GOLDWINDGoldWind 62/1200 技术参数技术参数叶轮叶轮直径62 m扫风面积 3019 m2转速范围 10 20 RPM1叶片数量 3叶片类型 LM 29.1 P 或相似叶片功率控制 变速变桨刹车系统3套独立的叶片刹车塔架塔架类型钢制锥
15、塔轮毂中心高 69 m运行数据运行数据切入风速3 m/s额度风速 12 m/s 切出风速25 m/s抗最大风速59,5 m/s电机电机 类型多极永磁同步发电机 结构直接驱动 额定功率 1200 kW 额定电压 Y690V 绝缘等级 FGOLDWIND风机主要组成偏航系统电机驱动链轮毂叶轮控制变电系统风力机组成的逻辑关系风力机组成的逻辑关系电网偏航装置偏航装置风向风速仪电压、频率值刹车盘失速调节主动失速定速变速控制齿轮箱变桨距调节变速调节无齿轮箱Technology trend国外大型风力发电机组发展趋势国际大型风机的发展趋势国际大型风机的发展趋势技术水平不断提高技术水平不断提高风力发电单机容量
16、由1980年的30千瓦上升到2005年的5兆瓦风特性叶轮叶轮机机械电电机并网网风风力极限限疲疲劳振振动控控制材材料制制造叶片设计部件制造COE风机(知识)体系结构与边界条件Cost of Energy频率50Hz电压 690V 或其他功率因数0.98噪音叶尖速转速材料强度控制能力运输安装部件共振耦合结构频率与电机转速、齿轮箱增速比、风轮转速的关系n如：电机的输出频率 电网频率50Hz，则发电机转速n对与常见两极对 的电机，电机转速为1500RPMn由于噪声要求，叶尖速度有个限值，如65m/s, n对于定速风机，以750KW为例，转轮直径50米，叶轮转速约 为22.25 rpm, 叶尖速则为58
17、m/s ,因此齿轮箱的增速比 就为 1500/22.25 =67.4 ppfn30006060pnf 风机设计的边界条件n电网约束n叶尖噪音约束n共振耦合约束n材料强度约束n控制能力约束n制造能力约束n运输安装维护能力约束在以上约束的情况下，要驾驭风并充分利用风能。要驾驭风，就要了解风的习性，即风的脾气和性格风有哪些习性？n风是个三维的（脉动）矢量（风速、风向（、湍流）n风在空间分布上的切变特性n风在时间序列上的统计特性长期的统计 年平均风速、年风向玫瑰图 风频分布（年） 功率谱密度 短期的统计（几秒） 湍流强度 自相关函数n物理特性：可压缩流体，低速时假设为不可压缩风的密度 （越冷越重，越高
18、越轻，越湿越轻）n风能量特性 正比风速的三次方、风轮直径的平方风机设计涉及的主要知识风机设计知识的核心点n目标市场的风资源、风特性(如：湍流特点及模型等）分析 ，n设计或选择适合风资源特点的高效风轮 （当今先进的风轮效率Cp可达 0.5)n针对风特性、风轮及传动链的优化的安全、控制策略 以减小和降低各种载荷，减少 如共振问题，材料疲劳、并网等问题，提高风能吸收效率n风机系统整机设计策略及布局，荷载传递函数、整机动态模拟及传动链优化设计n部件的疲劳设计 （这里涉及一个基础问题材料的疲劳特性，与一个国家的原材料工业及其研究有关）还有对各种不利的载荷工况的认识，参阅IEC、GL等标准。最终为减轻风机
19、的整体重量，获得最低的度电成本（COE）As the blades sweep the disk of air, the blade tip speedIs typically 6 to 10 times the wind speed.风机如何在风中工作风机如何在风中工作321VW单位面积风中的能量，与风速的3次方成正比Cp 吸收效率 空气密度，标准密度：1.225kg/m3A 风轮面积，pD2/4U 风速风机吸收的能量吸收风能，承受推力风机如何在风中工作风机如何在风中工作风吹过风轮后会怎样风吹过风轮后会怎样 转轮旋涡气动模型转轮旋涡气动模型 根据空气对叶轮的反作用风机尾流单位面积中的风能Th
20、e graph shows thatat a wind speed of 8metres per second we geta power (amount ofenergy per second) of314 Watts per squaremetre exposed to thewind (the wind iscoming from a directionperpendicular to the swept rotor area).At 16 m/s we get eight times as much power, i.e. 2509 W/m2. The table inthe righ
21、t gives you the power per square metre exposedto the wind for different wind speeds.风能的好坏（用风能密度W评估）风资源特点风功率谱密度与风机设计、振动疲劳荷载及电能质量有关与气象系统有关，难预测预测相对容易，与日发电量、日负荷电力调度有关风资源数据统计精度对风机设计的影响风 随时间和空间变化，产生剧烈的随机脉动，通过3次方关系的放大，极易形成巨幅的能量变化和脉动荷载，从而引起材料的疲劳。风 既是风机能量的来源，也是风机载荷的来源。如果能得到精确的风脉动（统计规律）特点，就能更精确地得到随机载荷的特点，从而预测
22、材料的疲劳损伤过程，能更经济的设计风机。缺少一般详细风V, P(t)V(t), V(t+t)V(t)力FF(t), F(t+t)F(t)材料s, es (t), s (t+t)e (t), e (t+t)s (t), e (t)（这里还涉及一个基础问题，材料的疲劳特性，与一个国家的原材料工业及其研究有关）n风的形成n风资源描述n风能计算 风资源知识1、 风的形成风的形成1.1 地球上的风地球上的风 风是主要由于太阳对地球不同地方的辐射强度不一样形成的温差和压差而产生，是太阳能的一种表现形式。另外，大范围的大气循环也在受地球自转的影响。 风风空气的流动现象。气象学中指空气相对于地面的水平运动。风
23、是一个矢量，用风向和风速表示。 风向风向指风的来向。我国风向观测用十六个方位表示，实际测风报告中还常用0-360范围内的数字表示风向。 风速风速单位时间内空气移动的距离。气象上对风速还作以下定义：（1）平均风速，相应于有限时段，通常指二分钟或十分钟的平均情况。（2）瞬时风速，相应于无限小的时段。（3）最大风速，指在给定的时间段或某个期间里面，平均风速中的最大值。（4）极大风速，指在给定的时间段内，瞬时风速的最大值。风速换算n风速的法定单位和几种常用单位的换算。单位米秒-1海里时-1千米时-1英尺秒-1英里时-11米秒-111.9438443.6003.280842.236941海里时-10.5
24、144411.8521.68780991.15077951千米时-10.2780.5399610.91134440.621369951英尺秒-10.30480.5924841.0972810.6818181英里时-10.447040.8689761.4666671 1.2.1 大气环流大气环流 风在地表上形成的根本原因是太阳能量的传输，由于地球是一个球体，太阳光辐射到地球上的能量随纬度不同而有差异，赤道的低纬度地区受热量最多，极地和高纬度地受热量少，因而造成太阳对地球表面的不均匀加热，从而导致地面上空大规模的大气运动，也即总的大气环流。 假设地球不发生自转，由于极地与赤道间的温差，赤道温度高的
25、空气将上升高层流向极地，极地附近大气则因冷却收缩下沉，在低空受指向低纬度的气压梯度力的作用，流向低纬，便形成了一个全球性的南北向环流。（图1） 1.2 地球上的环地球上的环流流图1 由于太阳辐射差异产生的赤道与极地之间的大气环流状况 1.2.1 大气环流大气环流(续续) 实际上由于地球自转，会产生一个称为科里奥利力的地转偏向力,在北半球总是对流动的空气产生向右偏的地转偏向力，从赤道上升流向极地的气流在气压梯度力和地转偏向力的作用和综合影响下，在南北两个半球上各出现了四个气压带和三个闭合环流圈（称作“三圈环流”）。在四个气压带之间则形成了极地东风带，盛行西风带,东北(东南)信风带以及赤道无风带四
26、大风带。（图2）图2 由于地球自转产生的大气环流状况地球自转对气流的影响How the Coriolis Force Affects Global WindsPrevailing Wind DirectionsLatitude 90-60N 60-30N 30-0N 0-30S 30-60 S 60-90SDirection NE SWNE SE NW SE The wind rises from the equator andmoves north and south in the higherlayers of the atmosphere.Around 30 latitude in bo
27、thhemispheres the Coriolis force preventsthe air from moving much farther. At thislatitude there is a high pressure area, asthe air begins sinking down again.As the wind rises from the equator therewill be a low pressure area close toground level attracting winds from theNorth and South.At the Poles
28、, there will be high pressure due to the cooling of the air.Keeping in mind the bending force of the Coriolis force, we thus have thefollowing general results for the prevailing wind direction: 1.2.2 1.2.2 季风环流季风环流 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。我国是一个典型的季风气候国家。 季风环流是季风气候的主要反映。季风环流的形成主要原因是由于海陆分布的热力
29、差异及行星风带的季节转换所形成的。 一般海陆差异引起的季风，大都发生在海陆相接的地区，海陆之间热力差异最大，季风现象就最明显。全球而言，在副热带地区这种差异最明显，即副热带季风（亦称温带季风）最强。亚洲东部地区是全球海陆差异引起的季风最强的地区。1.2.2 1.2.2 季风环流季风环流( (续续) ) 我国的季风，冬季主要在西风带影响之下，盛行西北气流。夏季西风带北移，南方为大陆热低压控制，副热带高压从海洋移至大陆，我国流场转为西南气流，春秋则为过渡季节。此外，海陆分布，青藏高原对我国季风环流也产生重要影响。冬季，大陆高压气压梯度强大，而夏季热低压的气压梯度较弱，因而我国夏季风比冬季风弱，这是
30、我国季风的重要特征。 我国的风场特征，必须注意到季风环流这一重要的背景，无论风电场的选址或运行，季风特征必须认真考虑。(图3) 海陆风(图4)山谷风1.2 地球上的环流地球上的环流1.2.3 局地环流局地环流2.2 平均风速平均风速 风资源描述平均风速 为风速在规定时距T内的时间平均值，即： 采用合适时距T的平均风速（例如10分钟），它在一段观测期内的变化一般不明显。 实际平均风速是由在相应的时距中，将其瞬时风速相互抵消后所得的综合结果，采用不同的平均时距就会得到不同的平均风速，时距愈大，平均风速的变化愈小，而相应的平均风速最大值也愈小。为了得可以相互比较的平均风速记录，气象上规定一个统一的平
31、均时距，世界气象组织和我国规定将10分钟平均时距作为平均风速的标准时距。由于历史的原因和条件的限制（如目测），在一些报表和项目中使用的是2分钟或更多种的平均风速，使用时必须加以注意。dttzyxvTvT),(10v风力等级表风力等级 自由海面状况 海上船只征象 陆地地面物征象 距地10米高处的相当风速 浪高 公里/时海里/时米/秒一般（米） 最高（米） 0-静静、烟直上小于1小于10-0.210.10.1平常渔船略觉摇动烟能表示风向，但风向标不能转动1-51-30.3-1.520.20.3渔船张帆时，每小时可随风移行2-3公里人面感觉有风，树叶微响，风向标能转动6-114-61.6-3.330
32、.61.0渔船渐觉簸动，每小时可随风移行5-6公里树叶及微枝摇动不息，旌旗展开12-197-103.4-5.441.01.5渔船满帆，可使船身倾向一侧 能吹起地需灰尘和纸张，树的小枝摇动 20-2811-165.5-7.952.02.5渔船缩帆（即收去帆之一部）有叶的小树摇摆，内陆的水面有不波 29-3817-219.0-10.763.04.0渔船加倍缩帆，捕鱼需注意风险 大树枝摇动，电线呼呼有声，举伞困难 39-4922-2710.8-13.874.05.5渔船停泊港中，在海者下锚 全树摇动，迎风步行感觉不便 50-6128-3313.9-17.185.57.5汽船的渔船皆停留不出 策枝折毁
33、，人向前行，感觉阻力甚大 62-7434-4017.2-20.797.010.0汽船航行困难 建筑物有小损（烟囱顶部及平屋摇动） 75-8841-4720.8-24.4109.012.5汽船航行颇危险 陆上少见，见时可使树木拔起或建筑物损坏较重89-10248-5524.5-28.41111.516.0汽船遇之极危险 陆上很少见，有则必有重大损毁 103-11756-6328.5-32.61214海浪滔天 陆上绝少见，摧毁力极大 118-13364-7132.7-36.913134-14972-8037.0-41.414150-16681-8941.5-46.115167-18390-9946
34、.2-50.916184-201100-10851.0-56.017202-220109-11856.1-61.2注：13-17级风力是当风速可以用仪器测定时使用。 大气受下垫面的动力和热力作用，风速沿铅直方向有明显的变化，在大气边界层或近地层中尤其如此。风速廓线受地形、层结稳定度、大型天气形势的影响，在铅直方向呈不同的分布规律。如在平坦地表、中性层结、近地层风速随高度分布为“对数律”： （1） 式中 为平均速度，z为离地面高度；u*为摩擦速度，K为卡门常数,Z0为粗糙度。 0*zzInKuzuu2.2.2 平均风速随高度变化平均风速随高度变化 在近地层稳定层结时，有“对数-线性律”： （2）
35、 式中L为莫宁一奥布霍夫长度，a1为根据实测资料确定的常数。一般情况下，近地层风速廓线可用幂次律： 式中 为z1高度的平均风速，指数n随层结稳定度而变化，中性层结n=1/7不稳定层结n较小，稳定层结n较大。nzzuzu11 LzazzInKuzu10*1u风剪切风剪切 在风能评估中，使用得最广泛的是指数律公式，公式中n称作粗糙指数，主要与地面粗糙度有关（同时还与大气层结状况等有关）。在没有作专门的风的梯度观测情况下，我国一些标准中将地面粗糙度分成四类： A类近海海面、海岛、海岸、大湖湖岸及沙漠地区 B类 田野、乡村及房屋比较稀疏的乡镇及城郊 C类有密集建筑群的城市市区 D类有密集建筑群且房屋较
36、高的城市市区 对于大风情况（一般超过10m/s时）其n分别取0.12, 0.16, 0.22 和0.3。 n取值2.2.3 平均风速随时间变化平均风速随时间变化1）日变化 风在一日内有规律的周期变化。该变化体现了由于日夜更替所引起的周期性变化，而不包括因天气形势变化所引起的非周期变化。典型的风速日变化是白天随太阳的升高而风速增大，夜间辐射冷却导致风速减小。2）月变化：一般指一年时段中以月为单位的逐月风速的周期变化。3）季变化：一年中以季为单位的风速的季节变化。4）年变化：常指风速在一年内的变化。一年中最大与最小的差称为年较差。5）年际变化：风速月或年平均在不同年之间的变化。从而了解它的变化大小
37、，趋势等。 威布尔分布（Weibull）0 00 )(1xxecxckxpkcxk2.2.4 平均风速分布平均风速分布1）平均风速的概率分布）平均风速的概率分布C 幅度参数， k 形状参数风速分布一般均为正偏态分布。常用的概率分布曲线有：瑞利分布（Regleigh） （k 2 时）0 00 )(222xxeuxxpux2.2.4 平均风速分布平均风速分布1）平均风速的概率分布）平均风速的概率分布威布尔（Weibull ）概率分布曲线2.2.5平均风向平均风向1）风的玫瑰图 它是根据地面风的观测结果，表示不同风向相对频率的星形图解。在风资源分析中，用得最多的风向玫瑰图，有时也用这种图表示不同方向
38、的风速和风能的多少。2）风向的变化 行星边界层内，由于地面摩擦粘滞力的影响，风向由下至上向右偏转，直至自由大气与地转风平行。在以u、v为坐标轴的图上，不同高度上风速矢量端点的连线呈螺旋状。 但在近地层（100米以下），平均风向可近似认为不随高度改变。风向频率风向频率n任意点处的风向时刻都在改变，但在一定时间内多次测量，可以得到每一种风向出现的频率。n风向频率的计算方法 选择观测的时间段，如月、季、年； 记录每个风向出现的次数ni，及总观测次数n； 某风向的风向频率= ni/n 100风向n风向来风的方向来风的方向。通常说的西北风西北风、南风南风等即表明的就是风向。n陆地上的风向一般用16个方位
39、观测。即以正北为零度，顺时针每转过22.5为一个方位。n风向的方位图图示如下。(图)风向风速玫瑰图风向统计规律的表示方法 N NNW NNE NW NE WNW ENE W E WSW ESE SW SE SSW SSE S 16个风向的风向玫瑰图风速频率风速频率 对于风力机的安置处，有两个重要的描述风资源的参数：年平均风速和风速频率。n在计算风率时，通常把风速的间隔定为1m/s；n风速在某一时间段平均，如10分钟；n按风速的大小，落到哪个区间，哪个区间的累加值加1。n把个区间出现的次数除以总次数即得风速频率。风频（风频（%） 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 2
40、4 6 8 10 12 14 16 18 20 风速（m/s）风速统计规律的表示方法 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000风况曲线根据风况曲线通常可以看出：n一年之中有多少时间低于起动风速而无法起动？n有多少小时可以达到额定出力？n取多大的切出风速较合适？ 可见，风频特性和风况曲线是开发风能的重要原始资料和依据。利用风频分布及功率曲线进行发电量的估算功率曲线wind speedpowerfrequencyhouroutput103.78%331.50609280207.14%625.73
41、252230309.73%852.2990731041711.33%992.85903816878.654811.91%1043.27610150077.2568111.56%1012.5744682018.53716010.49%919.3164568147090.682578.98%786.6708703202174.493507.28%637.5679693223148.8104685.61%491.0318826229802.9115664.11%360.2242114203886.9126472.88%252.1603474163147.7136971.93%168.65493211
42、17552.5147451.23%107.891861780379.44157720.75%66.0696002651005.73167680.44%38.7547539129763.65177640.25%21.7867933716645.11187490.13%11.7435968795.95319年标准运行小时2163.158年发电量1622368图 脉动风分布规律2.3 脉动风特性脉动风特性2.3 脉动风特性脉动风特性2.3.1 脉动风速脉动风速 椐2.1.2，在近地层风具有明显的阵性，可认为近地层风速是由一个平均分量和脉动分量组成，即： 即脉动风速tvvtzyxvzyxvtzyxvf
43、f, tvfu2.3.2 湍流强度湍流强度 在近地层中，气流具有明显的湍流特征。湍流是一种不规则随机流动。其速度有快速的大幅度起伏，并随时间、空间位置而变。 定义一个时段的脉动风速相对该时段的平均风速的标准偏差与该平均风速的比值。即： ，称为湍流强度，它是度量相对于风速平均值而起伏的湍流量的大小。湍流强度均方差均方差湍流强度湍流强度不同设计标准中的湍流强度风影（Wind Shade ）PorosityPorosity = 0% = 30% = 50% = 70% 风场中风机排布正对主风向：间距正对主风向：间距35倍的风轮直径，行距倍的风轮直径，行距59倍的直径倍的直径u2.3.3 功率谱密度功
44、率谱密度脉动风速大体服从正态分布规律。脉动速度的平方具有脉动功能的物理意义。风功率谱就是风速脉动振幅的平方随频率变化的图形。对于变量x(t)，功率谱常表示为：为x(t)的频谱，功率谱又称为功率谱密度或能谱密度。利用功率谱分析变量中各种振动分量的振幅大小的方法称为功率谱分析。 2.3 脉动风特性脉动风特性2.3.3 功率谱密度功率谱密度2FS F图10 近地面处水平风速谱2.3 脉动风特性脉动风特性2.3.3 功率谱密度功率谱密度 该图为近地面处的水平风速谱，该图谱明显地被划分为两个区段：（1）高频区段，它主要是由脉动风所形成，也称阵风区，其峰值周期约为1-2分钟。（2）低频区段：它是受大尺度气
45、候系统所控制，其峰值周期约为12小时和4天，也称大尺度气候区。2.3.3 功率谱密度功率谱密度u2.3.4阵风因子阵风因子 在工程设计中，根据平均风速估算阵风最大风速的参数。定义为某一选定时段I中的平均风速 与另一选定时段J（JI）中的平均风速（J）之比，即通常取I=2秒，J=1分钟或2分钟等等。阵风因子随大气稳定度、高度、平均风速、下垫面状况以及平均时段I、J的不同而异。)(IWm)()(JWIWGm2.3 脉动风特性脉动风特性风能与风能密度风能与风能密度n风能风的动能。n计算一年中风能的大小，要考虑风速的分布情况，而不能简单使用年平均风速。n年有效风能起动风速到切出风速之间的风能。n有效风
46、能密度年有效风能除以年有效风速的持续时间。3.1.1风能公式风能公式 单位：瓦式中为空气密度，单位kg/m3V为风速，单位m/sF是气流通过的面积，m2评价一地风能资源潜力，常用风功率密度： 单位：瓦/米23、风能资源、风能资源3.1风能资源的计算风能资源的计算FVW321321VW风机（风轮）吸收的风能Cp 吸收效率 空气密度，标准密度：1.225kg/m3V 风速A 风轮面积，pD2/4P=(1/2)V3ACp 风特性（习性)总结n风是个三维的（脉动）矢量（风速、风向（、湍流）n风在空间分布上的切变特性n风在整数时间序列(Integral time scale/length scale)上
47、的统计特性长期的统计 年平均风速、年风向玫瑰图 风频分布（年）(Wind speed probability density functions) 功率谱密度(Power spectral density function) 短期的统计（几秒、几分） 湍流强度（turbulence intensity） 自相关函数(autocorrelation)n物理特性：可压缩流体，低速时假设为不可压缩风的密度 （越冷越重，越高越轻，越湿越轻）n风能量特性 正比风速的三次方、风轮直径的平方风区分类（用于指导风机设计和应用）IEC标准 Wind turbine Wind turbine class clas
48、s I I II II III III S S Vref (m/s) 5042.537.5 Values specified by the designer A Iref(-) 0,16 B Iref(-) 0,14 C Iref(-) 0,12 风区分类GL标准空气动力学空气动力学n假设风为均匀层流假设空气不可压缩动量叶素理论V1 V2A1 AA2v流量风轮尾流不旋转时的动量理论质量守恒：A1 V1= A V= A2V2动量定理：T= A V(V1V2)能量方程：P =1/2 A V3cp=1/2 mV12 1/2 mV22a=1/3时，风能利用系数时，风能利用系数 达到贝兹极限达到贝兹极限
49、 Cp=0.593V轴向轴向=aV1 , a 轴向诱导因子轴向诱导因子CT 推力系数风能的利用率当考虑风轮尾流旋转时，风轮轴功率有损失，风轮功率系数要减小。风轮尾流旋转时的动量理论V1 V2 VA1 AA2叶素理论 叶素理论是将风轮叶片沿展向分成许多段（叶素），假设在每个叶素上的流动相互之间没有干扰，即叶素可看成是二维翼型，这时，将作用在每个叶素上的力和力矩沿展向积分，就可求得作用在风轮上的力和力矩。翼型几何参数风力机翼型t相对厚度：t100%c叶素理论安装角攻角 叶素理论AL2cdrcw2dLAD2cdrcw2dD 阻力升力Aerofoil Dataset 63-415Lift Coeffi
50、cientAngle of Attack (deg)-0.5-1.0-1.50.00.51.01.5-50-100-150-200050100150200翼型升力特性迎角/（） 升力系数CL风力机翼型 翼型阻力特性0.00.51.01.5-50-100-150-200050100150200迎角/（） 阻力系数CD风力机翼型升阻比极曲线升阻比极曲线n在风力机的设计中往往更关心升力h和阻力的比值 升阻比L/D以及最佳升阻比。通过极曲线（又称艾菲尔曲线）来讨论。 CLmax CL CT有利CDmin CDCDmin0CD0n说明：极曲线上的每一点对应一种升阻比及相应的攻角状态，如0、 CDmin、
