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山东职业学院机电装备系新能源应用技术教研室主讲教师：张为宾1风的形成3风资源测量与评估2风的特征及测量主要内容新能源介绍1风的特点2风的形成3一、新能源介绍指技术成熟且已被大规模利用的能源，如煤炭、石油、天然气以及大中型水电都被看作常规能源。常规能源——指尚未大规模利用、正在积极研究开发的能源。相对于传统能源，新能源具有污染少、储量大，前景广阔的特点。新能源——风能太阳能核能生物质能地热能海洋能氢能新能源一、新能源介绍风能利用二、风的特点风的特点1、风的变化性和不稳定性。由于气候、时间及地理环境的影响，风的大小及方向都在瞬时变化着。风的不稳定性，使我们对风能利用是将会有很多问题需要解决。2、风力大小随海拔的升高而增大。其根本原因是，随着海拔的升高地球表面与空气摩擦阻力的影响越来越小。3、空气的密度随海拔的升高而减小。虽然海拔高出风比较大，但是由于空气密度小，风能量并不大。二、风的特点大气层1)对流层赤道附近为16-18km；在中纬度地区为l0-12km，两极附近为8-9km。特点：一是气温随高度升高而递减，大约每上升100m，温度降低0.6℃。二是密度大，大气总质量的3/4以上集中在此层。在l-2km以下，受地表的机械、热力作用强烈，通称摩擦层，或边界层，亦称低层大气，大气的污染物绝大部分活动在此层。在1-2公里以上，受地表影响变小，称为自由大气层，主要天气过程如雨、雪、雹的形成均出现在此层。二、风的特点2）平流层从对流层顶到约50km的大气层为平流层。在平流层下层，即30—35knl以下，温度随高度降低变化较小，气温趋于稳定，所以又称同温层。在30—35km以上，温度随高度升高而升高。特点：一是空气没有对流运动；二是空气比下层稀薄得多，水汽、尘埃的含量甚微，很少出现天气现象；三是在高约15—35km范围内，有厚约20km的—层臭氧层，因臭氧具有吸收太阳光短波紫外线的能力，故使平流层的温度升高。二、风的特点3）中间层从平流层顶到80km高度称为中间层。这一层空气更为稀薄，温度随高度增加而降低。4）热层从80km到约500km称为热层。这一层温度随高度增加而迅速增加，层内温度很高，昼夜变化很大，热层下部尚有少量的水分存在，因此偶尔会出现银白并微带青色的夜光云。二、风的特点5）逃逸层热层以上的大气层称为逃逸层。逃逸层空气极为稀薄，其密度几乎与太空密度相同，故又常称为外大气层。由于空气受地心引力极小，气体及微粒可以从这层飞出地球致力场进入太空。逃逸层是地球大气的最外层。逃逸层的温度随高度增加而略有增加。三、风的形成风的形成大气的流动像水流一样，从压力高处向压力低处流动，气压差越大，风也就越大。太阳能正是形成大气压差的原因。由于地球自转轴与太阳的共转轴存在66.5°的夹角，因此对地球上的不同地点，太阳照射的角度是不同的，而且对同一地点1年中这个角度也是变化的。地球上某处所接受的太阳辐射能与该地点太阳照射角的正弦成正比。三、风的形成三、风的形成1、气压梯度力由于高低纬度之间的温度差异，造成了南北向之间的气压梯度，由于气压梯度引起的力就叫气压梯度力。在气压梯度力的作用下，使空气做水平运动，并沿垂直于等压线的方向由高压向低压吹。在赤道和低纬度地区，太阳高度角大，日照时间长，太阳辐射强度大，地面和大气接受热量多，温度较高；高纬度地区，太阳高度角小，日照时间短，太阳辐射强度小，地面和大气接受热量少，温度低。三、风的形成2、地转偏向力地球自转使空气运动发生偏向力，这种力称为“地转偏向力”。在赤道附近，地转偏向力为零，随着纬度的增加而增大，在极地达到最大。在这种力的作用下，北半球气流向右偏转，南半球气流向左偏转。三、风的形成3、大气环流在地球上由于地球表面受热不均，引起大气层中空气压力不均衡，因此形成地面与高空的大气环流。这种环流在地球自转偏向力的作用下，形成了赤道到纬度30°N环流圈（哈德来环流）、纬度30°~60°N环流圈和纬度60°~90°N环流圈，这便是著名的“三圈环流”。三、风的形成1）纬度30°N环流圈在赤道附近，空气受热膨胀上升，造成赤道上空气压升高，空气向极地方向流动。以北半球为例，由于赤道附近地转偏向力很小，空气基本受气压梯度力影响，因此赤道上空的空气由南向北流动。随着纬度的增加，地转偏向力逐渐加大，空气运动向右偏转。在纬度30°附近，偏角到达90°，地转偏向力与气压梯度力相当，空气运动方向与纬圈平行，所以在纬度30°附近上空，赤道来的气流受到阻塞而聚积，气流下沉，形成这一地区地面气压升高，就是所谓的“副热带高压”。三、风的形成1）纬度30°N环流圈副热带高压下沉气流分为两支，一支从副热带高压向南流动，指向赤道。在地转偏向力的作用下，北半球吹东北风，风速稳定且不大，约3~4级，这是所谓的信风，所以在南北纬30°之间的地带称为信风带。这一支气流补充了赤道上升气流，构成了一个闭合的环流圈，称此为哈德来环流，也叫做正环流圈。此环流圈南面上升，北面下沉。三、风的形成2）纬度30°~60°N环流圈副热带高压下沉气流的另一支从副热带高压向北流动的气流，在地转偏向力的作用下，北半球吹西风，且风速较大，这就是所谓的西风带。在60°N附近处，西风带遇到了由极地向南流来的冷空气，被迫沿冷空气上面爬升，在60°N地面出现一个副极地低压带。三、风的形成2）纬度30°~60°N环流圈副极地低压带的上升气流，到了高空又分成两股，一股向南，一股向北。向南的一股气流在副热带地区下沉，构成一个中纬度闭合圈，正好与哈德来环流流向相反，此环流圈北面上升、南面下沉，所以叫反环流圈，也称费雷尔环流圈；三、风的形成3）纬度60°~90°N环流圈副极地低压带的上升气流的向北气流，从上升到达极地后冷却下沉，形成极地高压带，这股气流补偿了地面流向副极地带的气流，而且形成了一个闭合圈，此环流圈南面上升、北面下沉与哈德来环流流向类似的环流圈，因此也叫正环流。在北半球，此气流由北向南，受地转偏向力的作用，吹偏东风，在60°~90°之间，形成了极地东风带。三、风的形成4、季风环流在一个大范围地区内，它的盛行风向或气压系统有明显的季节变化，这种在1年内随着季节不同，有规律转变风向的风，称为“季风”。季风盛行地区的气候又称季风气候。图1-3海陆热力差异引起季风示意图a)冬季b)夏季三、风的形成冬季，陆地比海洋冷，大陆气压高于海洋，气压梯度力自大陆指向海洋，风从大陆吹向海洋；夏季则相反，陆地很快变暖，海洋相对较冷，陆地气压低于海洋，气压梯度力由海洋指向大陆。图1-3海陆热力差异引起季风示意图a)冬季b)夏季三、风的形成5、局地环流1）海陆风由于海陆物理属性的差异，造成海陆受热不均。a）海风白天陆上温升较海洋快，空气上升，而海洋上空气温度相对较低，使地面有风白海洋吹向大陆，补充大陆地区上升气流。而陆上的上升气流流向海洋上空而下沉，补充海上吹向大陆气流。这种白天风从海洋吹向大陆称海风。三、风的形成b）陆风夜间环流的方向正好相反，所以风从陆地吹向海洋。夜间风从陆地吹向海洋称陆风。三、风的形成2）山谷风a）谷风白天，山坡接受太阳光热较多，空气增温较多；而山谷上空的空气因离地较远，增温较少，于是山坡上的暖空气不断上升，并从山坡上空流向谷地上空，谷底的空气则沿山坡向山顶补充，这样便在山坡与山谷之间形成一个热力环流。下层风由谷底吹向山坡，称为谷风。三、风的形成2）山谷风b）山风夜间，山坡上的空气，受山坡辐射冷却影响，空气降温较多，而谷地上空，同高度的空气因离地面较远，降温较少。于是山坡上的冷空气因密度大，顺山坡流入谷地，谷底的空气因汇合而上升，并从上面向山顶上空流去，形成与白天相反的热力环流。下层风由山坡吹向谷地，称为山风。风的基本特征1常用测风设备2风速风向仪使用3一、风的基本特征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，常用m/s、km/h、mile/h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。旋转式风速计散热式风速计声学风速计一、风的基本特征1）瞬时风速、平均风速瞬时风速——在某一瞬间测得风速为瞬时风速；平均风速——在某一段时间内，瞬时风速的算术平均值，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，一般由当地气象台站的历年观测统计数据给出。风力发电机轮毂中心高度处的最小年平均风速，是判断一个风电场开发是否经济的标准。以目前能源价格和上网电价为参照物，当年平均风速大于5m/s时，风能的开发才有经济价值。一、风的基本特征2）风速频率、风速变幅风速频率——在一定的时间内，相同风速出现的时数占测量总时数的百分比。风速变幅——在求得平均风速的限定时间内，最大风速与最小风速之差。对风能利用来说，既希望平均风速较高，又希望风速变幅越小越好，以保证风力发电机平稳运行和便于控制。一、风的基本特征3）启动风速、切除风速、有效风速启动风速——可使风力发电机启动运行的风速称为启动风速；风力发电机常取3m/s为启动风速。切除风速——风力发电机超速运行的上限风速称为切除风速，大于切除风速时，风力发电机必须停转，否则将有超速运转而损坏的危险。风力发电机常取25m/s为切除风速。有效风速——风力发电机常取3~25m/s的风速称为有效风速，据此计算出来的风速频率和风能称为有效风频和有效风能。年平均风速大于3m/s的年小时数决定了风力发电机的工作效率及经济性，表明风电场在一年内风力发电机可以起动工作的小时数。一、风的基本特征4）参考风速和极限风速参考风速——定义为50年一遇的、在轮毂高度处能持续10min的阵风平均风速。极限风速——定义为1.4倍的参考风速。极限风速决定了风力发电机设计时的强度和刚度指标。风力发电机要想安全地工作，风力发电机组及其零部件就必须保证在瞬时最大风速时不会损坏。一、风的基本特征5）影响风速的主要因素a、垂直高度从空气运动角度，通常将1km以下的大气层分为三个区域：离地面2m以内的区域称为底层；2~100m的区域称为下部摩擦层，二者总称为地面境界层；从100~1000m区域称为上部摩擦层，以上三个区域总称为摩擦层；摩擦层之上称为自由大气。在地面境界层内，空气运动因受流黏性和地面摩擦的影响，风向大体一致，而风速则随着垂直高度的增加而增大。一、风的基本特征不同地形平坦地面的平均风速（m/s）3~56~8山间盆地0.95~0.850.85~0.80弯曲的河谷底0.80~0.700.70~0.60山背风坡0.90~0.800.80~0.70山迎风坡1.10~1.201.10峡谷口或山口1.30~1.401.20b、地形地貌表1-1不同地形与平坦地面的风速比值相对高度/m501002003005007001000比值1.381.501.601.701.801.841.90表1-2山顶与山麓的风速比值一、风的基本特征c、地理位置由于陆地表面和海面对风的摩擦阻力不同，造成了海面上的风速比岸上的风速大，沿海的风速比内陆的风速大。d、障碍物风流经障碍物时，会在其后面产生不规则的涡流，致使流速降低，这种涡流随着远离障碍物而逐渐消失。当距离大于障碍物高度10倍以上时，涡流可完全消失，所以在障碍物下设置风力发电机时，应远离其高度10倍以上。一、风的基本特征2、风级、风压风力等级（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。国际上，一般采用的英国人蒲福于1805年所拟定的等级划分，故又称蒲福风级，他将风力等级分为13级，后经国际修订由13级变为18级，如表1-3所示。风压——垂直于气流方向的平面所受到的风的压力。根据伯努利方程得出的风速风压关系：𝑊𝑝=12𝜌𝑣2其中，Wp为风压，kN/m²；ρ为空气密度，kg/m³；v为风速，m/s。一、风的基本特征等级名称相当于平地10米高处的风速陆上地物征象海面和渔船征象海面浪高（m）风压（10N/m2）m