风与风资源基础知识

风与风资源基础知识授课：***编订：孙伟修改：***金风大学运维学院2016年1月29日一、风二、风能资源课程目录地球上任何地方都在吸收太阳的热量，但是由于地面每个部位受热的不均匀性，空气的冷暖程度就不一样，于是暖空气膨胀变轻后上升；冷空气冷却变重后下降，这样冷暖空气便产生流动，形成了风。而且由于地球自转、公转的力量及地形之不同也更加强风力和风向之变化多端。•风是一个矢量，既有大小又有方向。•描述风况的两个参数：风向、风速。地球表面风的形成和风向一、风风的形成赤道与南北纬30度之间的大气环流系统北纬30度至60度之间的大气环流系统北纬60度至北极之间的大气环流系统全球大气环流示意一、风一、风地球在自转，使空气水平运动发生偏向的力，称为地转偏向力，这种力使北半球气流向右偏转，南半球向右偏转，所以地球大气运动除受气压梯度力外，还要受地转偏向力的影响。大气真实运动是这两力综合影响的结果。风的形成一、风•山谷风谷风：由于热力原因引起的白天由谷地吹向平原或山坡山风：夜间由平原或山坡吹向谷地一、风•海陆风陆风：晚上陆风吹向海上海风：在沿海地区，白天由于陆地与海洋的温度差而形成海风吹向陆地风的形成一、风风的形成•峡谷（峡管）风峡谷效应使风速增大，不论是高大的山脉或是中小尺度的山脉只要存在峡谷或缢口河谷都有峡管效应，因为在谷地中流场压缩，其风速将比两侧加强，即产生峡管效应。一、风当气流通过山地时，由于受到地形阻碍的影响，流场发生变化。在山的迎风面下部由于气流受阻，风速减弱，且有上升气流。在山的顶部和两侧，因为气流线密集，风速加强。风的形成•地形加速（爬坡）风一、风在气象上，风常指空气的水平运动，并用风向、风速（或风力）来表示。风向指风的來向，一般用16个方位（国际通用）或360度來表示。以360度表示时，由北起按顺时针方向量度。风速（或风力）指的是单位时间內空气的移动距离，常以米/秒、公里/小时、海里/小时來表示。风速和风向一、风风力等级表注：本表所列风速是指平地上离地10米处的风速值一、风风的特性•风的日变化地面上是夜间风弱，白天风强；高空中却是夜里风强，白天风弱。在沿海地区，白天产生海风，夜晚产生陆风。•风的季节变化由于在不同的季节，太阳和地球的相对位置不同，使地球上存在季节性温度变化，因此，风也会产生季节性变化规律。一、风风速随高度的变化大气层的构成：风随高度的变化：niwiwhhVhV)()(Vw（h）——距地面高度为h处的风速，m/sVwi——高度为hi处的风速，m/sn——经验指数，取决于大气稳定度和地面粗糙度，其值约为1/2～1/8。一、风一、风地面情况粗糙度光滑地面、海洋0.10低草0.14城市平地、高草或岩石表面0.16高的农作物、篱笆0.20树木多、建筑物少0.22~0.24城市有高层建筑0.40地面粗糙度二、风能资源风能风能是一种无污染的、最具活力的可再生能源，它取之不尽，用之不竭，分布广泛。世界风能总量为2Xl013W，大约是世界总能耗的3倍。如果风能的1%被利用，则可以减少世界3%的能源消耗;风能用于发电，可产生世界总电量的8%~9%。二、风能资源四大优点：1)蕴量巨大；2)可以再生；3)分布广泛；4)没有污染。风能的特点三大缺点：1)密度低由于风能来源于空气的流动，而空气的密度是很小的，因此风力的能量密度也很小，只有水力的1/1000。2）不稳定由于气流瞬息万变，因此风的脉动、日变化、季变化以至年际的变化都十分明显，波动很大，极不稳定。3）地区差异大由于地理位置和地形的影响，风力的地区差异非常明显。即使在一个邻近的区域，有利地形下的风力，往往是不利地形下的几倍甚至几十倍。风能密度：是气流在单位时间内垂直通过单位面积的风能W＝0.5ρV3瓦/米2平均风能密度：W＝1/T∫0.5ρV3dt有效风能密度：W＝∫0.5ρV3P(v)dvP(v)――有效风速范围内的条件概率分布密度函数年风能可利用时间：指一年之中可以运行在有效的风速范围内的时间t＝N{exp[-(V1/c)k]－exp[-(V2/c)k]}N为全年的小时数，V1为启动风速，V2为停机风速，C、K为威布尔分布的两个参数。风能的密度二、风能资源二、风能资源将一段时间内风向观测的次数按方位分类统计，然后以每一方位的观测次数，除以该段时间内观测的总次数，再乘以100即得到各种风向的风向频率。福建省东山站（1955~1980年）历年平均风向频率风向NNNENEENEEESESESSE平均风向频率21126225123风向SSSWSWWS风向的频率以极座标形式表示的风向频率图叫风向玫瑰图。二、风能资源风向的频率0.0%7.3%14.5%NNNENEENEEESESESSESSSWSWWS风速的重复性，指一个月或一年的周期中发生相同风速的时数，占这段时间刮风总时数的百分比。一般风速频率分布呈威布尔曲线分布。将风速频率乘以全年小时数，即得到一年中某一风速的小时数。二、风能资源风速的频率风速v的威布尔分布概率密度函数表达为：kkcvcvckvfexp)()(1二、风能资源风速的分布风的湍流湍流强度：标准风速偏差与平均风速的比率，是描述风速随时间和空间变化的程度，反映脉动风速的相对强度。湍流产生的主要原因：（1）气流流动时受到地表面粗糙度的摩擦或阻滞作用而产生湍流；（2）因空气密度差异或大气温度差异引起气流垂直运动而产生湍流。V湍流强度V－10分钟平均风速σ－10分钟平均风的标准偏差湍流强度增大会减小风力发电机组的风能利用率，同时增加风机的磨损。IT值在0.10或以下表示湍流相对较小，中等程度湍流的IT值为0.10~0.25，更高的IT值表明湍流过大。二、风能资源VIT二、风能资源不同强度的湍流风况平坦地形应符合下列条件:在风电场四周11.5km直径范围内任一点，风电场与周围地形的高差不大于60m在风电场上风向4km和下风向0.8km内的山丘，其高宽比不大于1/50在上风向4km范围内，风机叶片下端离地的高度大于3倍最大高差h二、风能资源地形对风资源的影响4kmhhHR3h复杂地形及障碍物会改变风的流态：风剪切湍流叶片的尾流效应机组的入流角二、风能资源二、风能资源二、风能资源地形越复杂，地形的高度坡度越大，风资源的状况也复杂。二、风能资源二、风能资源二、风能资源实发电量3000h测风塔70m风机轮毂高度也为70m该风廓线特点下，能否用70m高度数据进行评估电量？二、风能资源二、风能资源翻山地形及翻山风二、风能资源翻山风二、风能资源流体力学软件仿真情况尾流效应造成的能量损失可能对风电场的经济性有着重要的影响。美国加州风电场的运行经验表明，尾流造成损失的典型值是10%；根据地形地貌、机组间的距离和风的湍流强度不同，尾流损失最小是2%，最大可达30%。二、风能资源二、风能资源复杂地形可导致机组的入流角大于机组设计允许的角度。二、风能资源当风气流水平吹到山脚下时底层气流受到山势坡度影响，开始密集同时风速变大，底层气流的方向也随山势倾斜向上流动。风的高层气流继续保持水平方向。此时，风的轮廓线从底部发生变化，底部风速开始变大。当风的气流来到山腰处时，风的底层气流更加密集，随山势坡度而上的风速变的更大，垂直方向的范围进一步扩大。风速轮廓线呈L形变化。当风气流刚刚到达山顶时，在一定垂直高度上风速呈一定的凹凸状分布，在一定高度上气流由于受先前的山势影响与水平方向呈一定的角度，这样的气流经过较长一段距离后开始恢复成水平方向。吹过山顶的气流在一定高度上不是水平的，与水平方向呈一定角度，如果风力发电机组安装在山顶坡附近，并且塔架高度也没有高出斜向上的气流范围，那么吹到机组叶轮平面的气流必定不是垂直于机组叶轮平面的。影响机组的入流角度。二、风能资源二、风能资源本课程就讲到这里，如果有什么问题，欢迎大家踊跃的提出来，我们共同探讨。同时也希望各位在各自的工作岗位上能像雄鹰一样自由的翱翔。尾声：谢谢大家！