1、动力工程系 新能源教研室 风力发电原理Principle of Wind Power Generation刘春涛刘春涛新能源教研室新能源教研室华北电力大学华北电力大学North China Electric Power University1/24/20232 2.1 2.1 风的形成与特性风的形成与特性 2.2 2.2 风的能量与测量风的能量与测量 2.3 2.3 风力资源与风能利用风力资源与风能利用第二章 风与风能华北电力大学华北电力大学North China Electric Power University1/24/20233第一节 风的形成与特性 形成原因形成原因：太阳辐射造成地球表
2、面的大气受热不均，：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，形用下，空气流沿水平方向由高压区向低压区流动，形成了风。成了风。风能风能：风所具有的动能为风能。：风所具有的动能为风能。风能是太阳能的一种转化形式。风能是太阳能的一种转化形式。一、一、风的形成风的形成 华北电力大学华北电力大学North China Electric Power University二、二、气压与风的关系气压与风的关系 弯曲的线是弯曲的线是等压线等压线。闭合的等压线如果其闭合的等压线如果其
3、气压值高于周围，则气压值高于周围，则称为称为高气压区高气压区，相反，相反称为低气压区。如同称为低气压区。如同山峰的山脊和山谷，山峰的山脊和山谷，从高气压伸展出来的从高气压伸展出来的部分称为部分称为高压脊高压脊，从，从低气压伸展出来的部低气压伸展出来的部分称为分称为低压槽低压槽。1/24/20234华北电力大学华北电力大学North China Electric Power University 气压梯度气压梯度：等压线的疏密程度表示了单位距离内气压：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。差的大小。等压线越密集，气压梯度越大。气压梯度力气压梯度力：由于气压梯度
4、而产生的旁压力。：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。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。气压梯度力越大，空气流动速度越快，风速越大。地转偏向力地转偏向力：地球自转而使空气水平运动发生偏向的地球自转而使空气水平运动发生偏向的力。力。随风速增大而增大，且与风向始终垂直。随风速增大而增大，且与风向始终垂直。1/24/20235华北电力大学华北电力大学North China Electric Power University1/24/20236华
5、北电力大学华北电力大学North China Electric Power University 左、右手法则进行判别偏转左、右手法则进行判别偏转方向。方向。北半球：右手法则北半球：右手法则 南半球：左手法则。南半球：左手法则。气压和风的相互关系：气压和风的相互关系：风速与气压梯度成正比，风风速与气压梯度成正比，风向与等压线成平行。向与等压线成平行。在地转偏向力的作用下，风向在地转偏向力的作用下，风向不断发生偏转。到风向被偏转到与不断发生偏转。到风向被偏转到与气压梯度力角度为气压梯度力角度为9090，此时气压，此时气压梯度力对风的分作用力为梯度力对风的分作用力为0 0。气压。气压梯度力与地转偏
6、向力正好相反，大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。，风向与气压等压线保持平行。1/24/20237华北电力大学华北电力大学North China Electric Power University（1）随机性随机性 速度大小和方速度大小和方向随时间不断变化向随时间不断变化，能量和功率随之，能量和功率随之发生改变。可能是发生改变。可能是短时间波动，或昼短时间波动，或昼夜变化，或季节变夜变化，或季节变化。化。三、三、风的特性风的特性1/24/20238华北电力大学华北电力大学North China Electric
7、 Power University（2）风速随高度的增加而变化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。障碍物的磨擦所造成的。1/24/20239华北电力大学华北电力大学North China Electric Power University1/24/202310华北电力大学华北电力大学North China Electric Power University 风速沿高度的相对增加量因地而异，可表示为：风速沿高度的相对增加量因地而异，可表示为：00()nVHVH 我国我国n取取0.160.
8、202000.04ln0.003(ln)0.24nzz1/24/202311华北电力大学华北电力大学North China Electric Power University（3）风速受障碍物和地形影响较大风速受障碍物和地形影响较大 障碍物对风速的影响障碍物对风速的影响 当穿越粗糙表面，像建筑物、树木、岩石等类似障碍物时，风速和风当穿越粗糙表面，像建筑物、树木、岩石等类似障碍物时，风速和风向迅速地发生改变。在障碍物的附近，特别是后缘会产生很强的湍流，该向迅速地发生改变。在障碍物的附近，特别是后缘会产生很强的湍流，该湍流在下风方向远处逐渐减弱。图为由障碍物造成的风湍流及其风速变化湍流在下风方向远
9、处逐渐减弱。图为由障碍物造成的风湍流及其风速变化轮廓线。气流湍流不仅会减小风力机的有效功率，而且会增加风力机的疲轮廓线。气流湍流不仅会减小风力机的有效功率，而且会增加风力机的疲劳载荷。劳载荷。水平方向：障碍物高宽比越小，湍流衰减越快；高宽比越大，湍流区水平方向：障碍物高宽比越小，湍流衰减越快；高宽比越大，湍流区越大。越大。在垂直方向：在风电场选址时应考虑到附近区域的障碍物，塔的高度在垂直方向：在风电场选址时应考虑到附近区域的障碍物，塔的高度必须足够高以便克服湍流区的影响。必须足够高以便克服湍流区的影响。1/24/202312华北电力大学华北电力大学North China Electric Po
10、wer University山脉对风的影响山脉对风的影响 山脊、丘陵和悬崖的形态极大地影响着山脊、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。若山脊的斜率为风速影响更加明显。若山脊的斜率为6 61616，则加速明显，可充分利用这种效应来，则加速明显，可充分利用这种效应来发电；但若斜率超过发电；但若斜率超过2727或低于或低于3 3，则加，则加速不明显，不利于风力发电。
11、对于长而地表速不明显，不利于风力发电。对于长而地表沿坡度平缓的山脊，其顶部及迎风面的上半沿坡度平缓的山脊，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。可能存在湍流而不设置风力机。1/24/202313华北电力大学华北电力大学North China Electric Power University 另一重要因素是山脊的走向。若盛行风的方向与脊线垂直，则加另一重要因素是山脊的走向。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。速效应更明显。若山脊脊线与盛行风平行，则对风速无加
12、速效应。同样，在山的缺口、走向与风平行的山峡的气流通道收敛的部位同样，在山的缺口、走向与风平行的山峡的气流通道收敛的部位，风速会提高，这个部位也被俗称为，风速会提高，这个部位也被俗称为“风口风口”。当风穿越山区障碍物。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。倘若两高山，表面越光滑，隙面向风向，则是一个极佳的风电厂址。倘若两高山，表面越光滑，粗糙
13、度越小，则对风的加速效果更好。粗糙度越小，则对风的加速效果更好。1/24/202314华北电力大学华北电力大学North China Electric Power University（4）季节性变化特点明显，日夜变化也有规律季节性变化特点明显，日夜变化也有规律海陆风海陆风 海风海风:白昼时，海洋吸收了大部分的太阳辐射，导致大陆表面空白昼时，海洋吸收了大部分的太阳辐射，导致大陆表面空气的升温速度较快，大陆表面的气流膨胀上升至高空，然后流向气的升温速度较快，大陆表面的气流膨胀上升至高空，然后流向海洋，到海洋上空因受冷却而下沉。大陆表面因气流上升而形成海洋，到海洋上空因受冷却而下沉。大陆表面因气流
14、上升而形成了低压区，近地层海洋因上空气流下降而产生高压区，在压力梯了低压区，近地层海洋因上空气流下降而产生高压区，在压力梯度下，为补偿陆地附近的低气压，使得海平面上的空气向陆地流度下，为补偿陆地附近的低气压，使得海平面上的空气向陆地流动。动。陆风陆风:夜间，风形成的过程恰好相反，海洋吸收阳光而蕴藏了大量夜间，风形成的过程恰好相反，海洋吸收阳光而蕴藏了大量的热量，使海洋上的气流降温较慢，地面空气温度下降较快，从的热量，使海洋上的气流降温较慢，地面空气温度下降较快，从而使地表的空气从陆地流向海面。而使地表的空气从陆地流向海面。1/24/202315华北电力大学华北电力大学North China E
15、lectric Power University 海陆风是由海陆热力差异引起的，其影响范围仅局限于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。沿海，风向变换以一天为周期。中纬度地区中纬度地区:海风可以从海岸线深入陆地海风可以从海岸线深入陆地50km。低纬度地区低纬度地区:海风风速可达海风风速可达48m/s，陆风一般只有，陆风一般只有13m/s。1/24/202316华北电力大学华北电力大学North China Electric Power University季风季风 季风是由海陆分布、大气环流、大陆地形等因素造成的。随着季节的季风是由海陆分布、大气环流、大陆
16、地形等因素造成的。随着季节的不同，陆地和海洋的太阳辐射产生了海洋与陆地之间的温度差异。不同，陆地和海洋的太阳辐射产生了海洋与陆地之间的温度差异。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，而高空形成了与底层气流方向相反的气流，构成了夏季夏季季风环流季风环流。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。底层气流由大陆大陆吹向海洋吹向海洋，高层气流由海洋流向大陆，形成了，高层气流由海洋流向大陆，
17、形成了冬季季风环流冬季季风环流。世界上季风区分布甚广，其中最著名的是东南亚季风区。在夏季，从世界上季风区分布甚广，其中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。这种气流形成夏季季风。在冬季，亚洲，进入印度、中南半岛和中国。这种气流形成夏季季风。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。这是向南和东南吹向赤道海洋的冬季季风。季季风正相反。这是向南和
18、东南吹向赤道海洋的冬季季风。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。多雨。1/24/202317华北电力大学华北电力大学North China Electric Power University山谷风山谷风 在山区，白天风从山谷吹向山坡，这种风叫在山区，白天风从山谷吹向山坡，这种风叫“谷风谷风”；到夜间，风从山坡吹向山谷，这种风称；到夜间，风从山坡吹向山谷，这种风称“山风山风”。山风。山
19、风和谷风统称为山谷风，其形成原理与海陆风相似。和谷风统称为山谷风，其形成原理与海陆风相似。1/24/202318华北电力大学华北电力大学North China Electric Power University 白天山坡受热较快，温度高于山谷中同高度的空气温度，白天山坡受热较快，温度高于山谷中同高度的空气温度，坡地表面的空气受热后沿倾斜方向上升，谷底则被冷空气填补坡地表面的空气受热后沿倾斜方向上升，谷底则被冷空气填补，从而形成谷风。夜间，山坡因辐射冷却，降温速度比山谷中，从而形成谷风。夜间，山坡因辐射冷却，降温速度比山谷中同高度的空气快，因此气流从山坡吹向谷底，从而形成了山风同高度的空气快，因
20、此气流从山坡吹向谷底，从而形成了山风。通常这种现象会生成很强的气流，进而形成强风。通常这种现象会生成很强的气流，进而形成强风。谷风的平均速度为谷风的平均速度为2 24m/s4m/s，有时可达，有时可达7 710m/s10m/s。谷风通过。谷风通过山隘时风速加大。山风比谷风小一些，但在峡谷中风力加强，山隘时风速加大。山风比谷风小一些，但在峡谷中风力加强，有时会损坏谷底的农作物。谷风所达厚度一般为谷底以上有时会损坏谷底的农作物。谷风所达厚度一般为谷底以上5005001000m1000m，这一厚度还随气层不稳定程度的增加而增大。，这一厚度还随气层不稳定程度的增加而增大。1/24/202319华北电力
21、大学华北电力大学North China Electric Power University焚风焚风 定义定义：当气流跨越山脊时，背风面产生一种热而干燥的风。：当气流跨越山脊时，背风面产生一种热而干燥的风。条件条件：山岭两面气压不同的条件下发生。：山岭两面气压不同的条件下发生。分析分析：在山岭的一侧是高气压，另一侧是低气压时，空气会从：在山岭的一侧是高气压，另一侧是低气压时，空气会从高气压区向低气压区流动。但因受山阻碍，空气被迫上升，气高气压区向低气压区流动。但因受山阻碍，空气被迫上升，气压降低，空气膨胀，温度也随之降低。空气每上升压降低，空气膨胀，温度也随之降低。空气每上升100m100m，气
22、温，气温则下降则下降0.60.6。当空气上升到一定高度时，水汽遇冷凝结，形成。当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，则变得稀薄干燥，然后翻过山脊雨水。空气到达山脊附近后，则变得稀薄干燥，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，顺坡而下，空气在下降的过程中变得紧密且温度增高。空气每下降每下降100m100m，气温则会上升，气温则会上升11。因此，空气沿着高大的山岭沉。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。迎风和背风两面降到山麓的时候，气温常会有大幅度地提升。迎风和背风两面的空气即使高度相同，背风面空气的温度也总
23、是比迎风面的高的空气即使高度相同，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。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。落雪。危害危害：会造成果木和农作物的干枯，形成森林大火。当然也可：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。以加速冬季积雪融化，利于早点使草木生长。1/24/202320华北电力大学华北电力大学North China Electric Power University1/24/202321华北电力大学华北电力大学North China Electric Power Un
24、iversity定义定义：空气运动产生的动能称为：空气运动产生的动能称为“风能风能”。单位时间内垂直流过截面单位时间内垂直流过截面A的空气拥有的做功能力，的空气拥有的做功能力，称为称为风能功率风能功率(W)一、风能一、风能223111222EmVAVtVAtV312WAV 风能功率与风速的立方成正比，与流动空气密度和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。垂直流过的投影面积成正比。第二节 风的能量与测量1/24/202322华北电力大学华北电力大学North China Electric Power University 风能密度风能密度是估计风能潜力大小的一个重
25、要指标。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。定义：单位时间内通过单位截面积的风能。值的大小随气压、气温和湿度等大气条件的变化而变值的大小随气压、气温和湿度等大气条件的变化而变化。在海拔高度化。在海拔高度500m500m以下，以下，取取1.225kg/m1.225kg/m3 3，若海拔超，若海拔超过过500m500m，必须考虑空气密度的变化。，必须考虑空气密度的变化。312EVAt二、风能密度二、风能密度0.0001231.225(/)hhkg m 一般风速是用平均值表示的，平均风能密度可采用一般风速是用平均值表示的，平均风能密度可采用直接计算和概率计算两种方
26、法求得，各气象台站都有详细直接计算和概率计算两种方法求得，各气象台站都有详细的数据记录资料。的数据记录资料。1/24/202323华北电力大学华北电力大学North China Electric Power University 平均风能密度平均风能密度：一定时间周期（如一年或一月）内风能：一定时间周期（如一年或一月）内风能密度的平均值。密度的平均值。3011d2TVtT 可直接利用观测资料计算平均风能密度。根据平均风能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，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
27、得到年平均风能密度。并按全年小时数平均，就可得到年平均风能密度。31112niiiV tT1/24/202324华北电力大学华北电力大学North China Electric Power University 实际上，风能不可能全部转换成机械能，风力机不能实际上，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。获得全部理论上的能量。当风速由当风速由0逐渐增加达到某一风速逐渐增加达到某一风速VmVm（切入风速）时，（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，风力机还不能对用等于整机空载时自
28、身消耗的功率，风力机还不能对用户输出功。户输出功。风速继续增加，达到某一确定值风速继续增加，达到某一确定值V VN N(额定风速额定风速)，在该，在该风速下风力机提供额定功率或正常功率。超过该值时风速下风力机提供额定功率或正常功率。超过该值时，利用调节系统，输出功率将保持常数。，利用调节系统，输出功率将保持常数。如果风速继续再增加到某一值如果风速继续再增加到某一值V VM M(切断风速切断风速)时，出于时，出于安全考虑，风力机应停止运转，风力机不输出功率安全考虑，风力机应停止运转，风力机不输出功率。三、有效风能密度三、有效风能密度1/24/202325华北电力大学华北电力大学North Chi
29、na Electric Power University 世界各国根据各自的风能资源情况和风力机的运行经验，世界各国根据各自的风能资源情况和风力机的运行经验，制定了不同的有效风速范围及不同的风力机切入风速、额制定了不同的有效风速范围及不同的风力机切入风速、额定风速和切断风速。中国有效风能密度所对应的风速范围定风速和切断风速。中国有效风能密度所对应的风速范围是是3-25m/s3-25m/s。实际可利用的风能为图中阴影部分的面积，其计算方法与实际可利用的风能为图中阴影部分的面积，其计算方法与平均风能密度的计算方法相同。平均风能密度的计算方法相同。1/24/202326华北电力大学华北电力大学Nor
30、th China Electric Power University 风速就是空气在单位时间内移动的距离，国际上的单位是风速就是空气在单位时间内移动的距离，国际上的单位是米米/秒秒(m/s)或千米或千米/小时小时(km/h)。我国现行的风速观测有定。我国现行的风速观测有定时时4次次2min平均风速和平均风速和1日日24次自动记录次自动记录10min平均风速两平均风速两种。种。人们习惯用风级来表示风的强弱人们习惯用风级来表示风的强弱。我国是用风级表示风大小的最早国家之一，远在唐代，科我国是用风级表示风大小的最早国家之一，远在唐代，科学家李淳风就在他的著作中提出过学家李淳风就在他的著作中提出过9级
31、风的划分标准，且非级风的划分标准，且非常直观形象，如常直观形象，如“动叶、鸣条、摇枝等动叶、鸣条、摇枝等”。1805年，英国人总结提出了更精确的风级划分标准，从年，英国人总结提出了更精确的风级划分标准，从0级级到到12级，共分级，共分13个等级。随后，又补充了每级风的相应风个等级。随后，又补充了每级风的相应风速数据，使人们从直接景观现象发展到依靠精确的风速数速数据，使人们从直接景观现象发展到依靠精确的风速数据，这一标准后来逐渐被国际公认，称为据，这一标准后来逐渐被国际公认，称为“蒲氏风级蒲氏风级”。四、风速与风级四、风速与风级1/24/202327华北电力大学华北电力大学North China
32、 Electric Power University 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。1/24/202328华北电力大学华北电力大学North China Electric Power University1/24/202329华北电力大学华北电力大学North China Electric Power University1/24/202330华北电力大学华北电力大学North China Electric Pow
33、er University 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的方向，即风向。的方向，即风向。空气由东向西流动叫东风，由南向北流动叫南风，以此类推。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，则加以加以“偏偏”字，如在北风方位左右摆动，则叫偏北风。字，如在北风方位左右摆动，则叫偏北风。静风记静风记“C C”。五、风向与风频五、风向与风频 风向测量单位，陆地一般用风向测量单位，陆地一般用1616个个方位表示，
34、海上则多用方位表示，海上则多用3636个方位表示。个方位表示。风向是风电场选址的一个重要因风向是风电场选址的一个重要因素。素。若欲从某一特定方向获得所需的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风能，则必须避免此气流方向上有任意的障碍物。意的障碍物。1/24/202331华北电力大学华北电力大学North China Electric Power University 早期的风速仪中的风向标是用来确定风向的。现在大早期的风速仪中的风向标是用来确定风向的。现在大多数的风速仪可同时记录风向和风速。多数的风速仪可同时记录风向和风速。风向仪装置，由尾翼、指向杆、平衡锤及旋转主轴风向
35、仪装置，由尾翼、指向杆、平衡锤及旋转主轴4 4部部分组成的首尾不对称平衡装置。风向风速仪可以测定分组成的首尾不对称平衡装置。风向风速仪可以测定风向，一般安装在离地面风向，一般安装在离地面10m10m高度的测风塔上，如果附高度的测风塔上，如果附近有障碍物，则至少要高出障碍物近有障碍物，则至少要高出障碍物6m6m高度。高度。1/24/202332华北电力大学华北电力大学North China Electric Power University风频？风频？风频风频是指风向的频率，即在一定时间内是指风向的频率，即在一定时间内 某风向出现的次数占各风向出现总次数某风向出现的次数占各风向出现总次数 的百分
36、比。的百分比。某风向频率某风向频率=某风向出现的次数风向的总观测次数某风向出现的次数风向的总观测次数100 风频玫瑰图风频玫瑰图：计算出各风向的频率数值后，用极坐标的方式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。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。，尤其是不希望在较短的时间内出现风向频繁变化的情况。1/24/2023
37、33华北电力大学华北电力大学North China Electric Power University 风速玫瑰图风速玫瑰图:用同样的方法表示各方向的平均风速。用同样的方法表示各方向的平均风速。风能玫瑰图风能玫瑰图:如果表示时间的百分比和风速的如果表示时间的百分比和风速的3 3次方，次方，这有助于确定从不同方向获取的能量。这有助于确定从不同方向获取的能量。1/24/202334华北电力大学华北电力大学North China Electric Power University风速频率风速频率 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
38、风速的重复性。百分比，又称风速的重复性。按相差按相差1m/s的时间间隔观测的时间间隔观测1年年(1月或月或1天天)内各种风速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。风速频率分布。是风频吗？是风频吗？从风能利用的观点从风能利用的观点看，哪条曲线所代看，哪条曲线所代表的风况比较好？表的风况比较好？whywhy？1/24/202335华北电力大学华北电力大学North China Electric Power University 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利用风速频率分布可以计算某一地区单位面积上全
39、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。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，要在风能利用中，特别是对于风力发电，要选择风频和风速选择风频和风速变化比较稳定的地点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。较长时间的观测，并用电子计算机作出风能特性的分析。1/24/202336华北电力大学华北电力大学North China
40、 Electric Power University 主要目的：正确估计某地点可利用风能的大小，为装备主要目的：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。风力机提供风能数据。内容：内容：风向风向测量和测量和风速风速测量两项。测量两项。测量仪器：测量仪器：根据工作原理分为：旋转式风速仪（杯状风速仪和根据工作原理分为：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）板风速仪）;相移风速仪（超声波风速仪和激
41、光多普勒相移风速仪（超声波风速仪和激光多普勒风速仪）。风速仪）。六、风的测量六、风的测量1/24/202337华北电力大学华北电力大学North China Electric Power University风级计数仪 风级计数仪是由风级计数仪是由风杯式风风杯式风速仪速仪与与电子处理装置电子处理装置两部两部分组成。分组成。风速计置于测风杆塔顶端风速计置于测风杆塔顶端，其高度应与欲安装的风，其高度应与欲安装的风力发电装置轮毂的高度相力发电装置轮毂的高度相等，而测风杆塔则应竖在等，而测风杆塔则应竖在欲安装风力发电装置的地欲安装风力发电装置的地点。电子处理装置则放置点。电子处理装置则放置在测风杆塔上
42、人可以看到在测风杆塔上人可以看到的地方。的地方。1/24/202338华北电力大学华北电力大学North China Electric Power University 作为计算风能资源基本依据的每小时风速值有作为计算风能资源基本依据的每小时风速值有3种种不同的测算方法：将每小时内测量的风速值取平均不同的测算方法：将每小时内测量的风速值取平均值：将每小时最后值：将每小时最后10min内测量的风速值取平均值；内测量的风速值取平均值；在每小时内选几个瞬时测量风速值再取其平均值。在每小时内选几个瞬时测量风速值再取其平均值。世界气象组织推荐世界气象组织推荐10min平均风速，中国目前也采用平均风速，中
43、国目前也采用10min平均风速即第种方法。测量点上配有自动记平均风速即第种方法。测量点上配有自动记录仪器，对风向和风速作连续记录，从中整理出各正录仪器，对风向和风速作连续记录，从中整理出各正点前点前10min的平均风速和最多风向，并选取日最大风速的平均风速和最多风向，并选取日最大风速(10min平均平均)和极大风速和极大风速(瞬时瞬时)以及对应的风向和出现以及对应的风向和出现时间。时间。1/24/202339华北电力大学华北电力大学North China Electric Power University 测量风能的最常用的风速仪是杯状风速仪。由测量风能的最常用的风速仪是杯状风速仪。由3个风杯
44、与个风杯与短轴连接，等距离地安装在垂直的旋转轴上。风杯的外形或短轴连接，等距离地安装在垂直的旋转轴上。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。当置于流场，风能会使得杯状物有阻速仪是一个阻力装置。当置于流场，风能会使得杯状物有阻力，该阻力用式表示，即力，该阻力用式表示，即 杯形风速计杯形风速计212DDaFCA 凹面的阻力系数比凸面的高，故测风仪凹面的阻力系数比凸面的高，故测风仪中朝风的凹侧风杯受到更大的阻力，阻力差中朝风的凹侧风杯受到更大的阻力，阻力差驱动风杯物绕中心轴旋转。转轴下部驱动一驱动风杯物
45、绕中心轴旋转。转轴下部驱动一个被包围在定子中的多极永磁体。指示器测个被包围在定子中的多极永磁体。指示器测出随风速变化的电压，显示出对应的风速值。出随风速变化的电压，显示出对应的风速值。当风速达当风速达1 12m/s2m/s时，风杯式风速表就可以时，风杯式风速表就可以起动。旋转的强度与进入风的风速成正比。起动。旋转的强度与进入风的风速成正比。1/24/202340华北电力大学华北电力大学North China Electric Power University 风速仪能适应多种恶劣的环境，但仍有一定的风速仪能适应多种恶劣的环境，但仍有一定的局限性局限性。风。风速仪能随风很快加速起来，但风使其停止
46、转动的速度很慢。风速仪能随风很快加速起来，但风使其停止转动的速度很慢。风杯达到匀速转动的时间要比风速的变化来得慢（滞后性）。这杯达到匀速转动的时间要比风速的变化来得慢（滞后性）。这种现象在风速由小变大时较为严重，如当风速较大，很快地变种现象在风速由小变大时较为严重，如当风速较大，很快地变为为0 0时，因为惯性作用，风杯将继续转动，不可能很快停下来。时，因为惯性作用，风杯将继续转动，不可能很快停下来。这种迟缓的反应，使得杯状风速仪测量的风速并不可靠。风速这种迟缓的反应，使得杯状风速仪测量的风速并不可靠。风速在在0 020m/s20m/s时，利用风杯测定风速比较准确。同时这种滞后性时，利用风杯测定
47、风速比较准确。同时这种滞后性消除了许多风速脉动现象，因而，消除了许多风速脉动现象，因而，用风杯作感应器的风速表，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测定平均风速比较好，而测瞬时风速则准确度较差。试验证明，试验证明，3 3杯比杯比4 4杯好、圆锥形比半球形好，是因为阻力杯好、圆锥形比半球形好，是因为阻力和密度成正比，空气密度稍有改变，都会影响测量速度的准确和密度成正比，空气密度稍有改变，都会影响测量速度的准确性。尽管有这些限制，杯状风速仪还是广泛地用于气象中风速性。尽管有这些限制，杯状风速仪还是广泛地用于气象中风速的测量和风能的应用中。的测量和风能的应用中。1/2
48、4/202341华北电力大学华北电力大学North China Electric Power University 电子处理装置包含电子处理装置包含10个计数器。由风速计测量到的风速信号个计数器。由风速计测量到的风速信号经电子装置处理，被输入到经电子装置处理，被输入到10个计数器，由此即可读出不同个计数器，由此即可读出不同风速区的持续时间及频率分布。由这种风级计数仪得到的数风速区的持续时间及频率分布。由这种风级计数仪得到的数据应定期阅读，并做好记录，可以一周为统计单位。据应定期阅读，并做好记录，可以一周为统计单位。这种风级计数仪的优点是应用起来简单方便，只要在电子处这种风级计数仪的优点是应用起
49、来简单方便，只要在电子处理装置中装满电池理装置中装满电池(4*1.5伏伏)即可工作。即可工作。1/24/202342华北电力大学华北电力大学North China Electric Power University螺旋桨式风速仪 主要靠升力工作。桨叶式风速表是由若干片桨叶按一定主要靠升力工作。桨叶式风速表是由若干片桨叶按一定角度等间隔地装置在一垂直面内，能逆风绕水平轴转动，角度等间隔地装置在一垂直面内，能逆风绕水平轴转动，其转速正比于风速。桨叶有其转速正比于风速。桨叶有平板叶片的风车式和螺旋桨式平板叶片的风车式和螺旋桨式两种。最常见的是由两种。最常见的是由3叶或叶或4叶式螺旋桨，装在形似飞机机
50、叶式螺旋桨，装在形似飞机机身的流线型风向标前部，风向标使叶片旋转平面始终对准身的流线型风向标前部，风向标使叶片旋转平面始终对准风的来向。桨叶旋转方向始终正对风向，在流向平行于轴风的来向。桨叶旋转方向始终正对风向，在流向平行于轴的气流中，桨叶受到升力，从而使的气流中，桨叶受到升力，从而使螺旋桨以与风速成正比螺旋桨以与风速成正比的速度旋转的速度旋转。为测量风的垂直和水平分力，为测量风的垂直和水平分力，3个桨叶固定在一个共同个桨叶固定在一个共同的桅杆上。螺旋桨式风速仪可以保持转速与所测风速间相的桅杆上。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。与多叶片风速表相比，它的起动风速较当好的线
