本章內(nèi)容2.1風(fēng)的形成及其特性2.2風(fēng)的測(cè)量與估計(jì)2.3風(fēng)能資源評(píng)估及風(fēng)電場(chǎng)選址概述2.4風(fēng)能轉(zhuǎn)換基本原理2.5風(fēng)力機(jī)運(yùn)行特性1本章內(nèi)容1風(fēng)的形成及其基本特性風(fēng)：指空氣相對(duì)于地球表面的運(yùn)動(dòng)，是由于大氣中熱力和動(dòng)力的空間不均勻性所形成的。大氣邊界層：受地表摩擦阻力影響的大氣層。按高度分成三個(gè)區(qū)域：底層、下部摩擦層、上部摩擦層。邊界層空氣在高度方向上特點(diǎn)：空氣上下對(duì)流運(yùn)動(dòng)水平運(yùn)動(dòng)速度隨高度變化風(fēng)向隨高度變化大氣湍流特性隨高度變化2.1風(fēng)的形成及其特性大氣邊界層1.

風(fēng)的形成2風(fēng)的形成及其基本特性風(fēng)：指空氣相對(duì)于地球表面的運(yùn)動(dòng)，是由于大2.風(fēng)的尺度小尺度：空間數(shù)米到數(shù)千米，時(shí)間數(shù)秒到數(shù)天。中尺度：空間數(shù)千米到數(shù)百千米，時(shí)間數(shù)分鐘到一周。天氣尺度：空間數(shù)百千米到數(shù)千千米，時(shí)間數(shù)天到數(shù)周。行星尺度：空間數(shù)千千米以上，時(shí)間數(shù)周。氣流運(yùn)動(dòng)的空間和時(shí)間尺度32.風(fēng)的尺度小尺度：空間數(shù)米到數(shù)千米，時(shí)間數(shù)秒到數(shù)天。氣流3.風(fēng)的大小風(fēng)的大小通常指風(fēng)速的大小。風(fēng)速和風(fēng)向在時(shí)間、空間上的變化均是隨機(jī)的。通常把風(fēng)看作是由平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)兩部分組成。風(fēng)速和風(fēng)向時(shí)間歷程曲線(xiàn)43.風(fēng)的大小風(fēng)的大小通常指風(fēng)速的大小。風(fēng)速和風(fēng)向在時(shí)間、空3.風(fēng)的大小某地點(diǎn)平均風(fēng)速的大小除取決于時(shí)距外，還與所測(cè)點(diǎn)的高度有關(guān)，我國(guó)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)高度為10m。風(fēng)力等級(jí)是依據(jù)風(fēng)對(duì)地面或海面物體影響而引起的各種現(xiàn)象確定的。國(guó)際上采用的風(fēng)速等級(jí)是1805年英國(guó)人蒲福擬定的。在1946年，人們又把第12級(jí)（颶風(fēng)）分為6級(jí)。表見(jiàn)下頁(yè)。53.風(fēng)的大小某地點(diǎn)平均風(fēng)速的大小除取決于時(shí)距外，還與所測(cè)點(diǎn)風(fēng)力級(jí)數(shù)名稱(chēng)海面狀況海洋船只征象陸地地面征象相當(dāng)于空曠平地上標(biāo)準(zhǔn)高度10米處的風(fēng)速（米/秒）海浪一般(米)最高(米)0靜風(fēng)－－靜靜，煙直上0—0.21軟風(fēng)0.10.1平常漁船略覺(jué)搖動(dòng)煙能表示風(fēng)向，但風(fēng)向標(biāo)不能動(dòng)0.3—1.52輕風(fēng)0.20.3漁船張帆時(shí)，每小時(shí)可隨風(fēng)移行2?3公里人面感覺(jué)有風(fēng)，樹(shù)葉微響，風(fēng)向標(biāo)能轉(zhuǎn)動(dòng)1.6—3.33微風(fēng)0.61.0漁船漸覺(jué)顛簸

，每小時(shí)可隨風(fēng)移行5?6公里樹(shù)葉及微枝搖動(dòng)不息，旌旗展開(kāi)3.4—5.44和風(fēng)1.01.5漁船滿(mǎn)帆時(shí)，可使船身傾向一側(cè)能吹起地面灰塵和紙張，樹(shù)的小枝搖動(dòng)5.5—7.95清勁風(fēng)2.02.5漁船縮帆（即收去帆之一部）有葉的小樹(shù)搖擺，內(nèi)陸的水面有小波8.0—10.76強(qiáng)風(fēng)3.04.0漁船加倍縮帆，捕魚(yú)須注意風(fēng)險(xiǎn)大樹(shù)枝搖動(dòng)，電線(xiàn)呼呼有聲，舉傘困難10.8—13.87疾風(fēng)4.05.5漁船停泊港中，在海者下錨全樹(shù)搖動(dòng)，迎風(fēng)步行感覺(jué)不便13.9—17.18大風(fēng)5.57.5進(jìn)港的漁船皆停留不出微枝拆毀，人行向前，感覺(jué)阻力甚大17.2—20.79烈風(fēng)7.010.0汽船航行困難建筑物有小損（煙囪頂部及平屋搖動(dòng)）20.8—24.410狂風(fēng)9.012.5汽船航行頗危險(xiǎn)陸上少見(jiàn)，見(jiàn)時(shí)可使樹(shù)木拔起或使建筑物損壞嚴(yán)重24.5—28.411暴風(fēng)11.516.0汽船遇之極危險(xiǎn)陸上很少見(jiàn)，有則必有廣泛損壞28.5—32.612颶風(fēng)14.0－海浪滔天陸上絕少見(jiàn)，摧毀力極大32.7—36.913－－－－－37.0—41.414－－－－－41.5—46.115－－－－－46.2—50.916－－－－－51.0—56.017－－－－－56.1—61.26風(fēng)名稱(chēng)海面狀況海洋船只征象陸地地面征象相當(dāng)于空曠平地上標(biāo)準(zhǔn)全球性的風(fēng)大氣環(huán)流是全球范圍內(nèi)，由于太陽(yáng)輻射不均勻，產(chǎn)生赤道和極地的溫度和氣壓差異，導(dǎo)致的赤道上空的熱空氣向極地運(yùn)動(dòng)，而極地地面的冷空氣向赤道運(yùn)動(dòng)的循環(huán)狀態(tài)。1856年，美國(guó)人費(fèi)雷爾提出了更接近實(shí)際的“三圈環(huán)流”大氣運(yùn)動(dòng)模型。1.

大氣環(huán)流三圈環(huán)流示意圖7全球性的風(fēng)大氣環(huán)流是全球范圍內(nèi)，由于太陽(yáng)輻射不均勻，產(chǎn)生赤道2.季風(fēng)季風(fēng)是隨季節(jié)變化的風(fēng)，是在較大的范圍內(nèi)，盛行風(fēng)向隨季節(jié)明顯變化的反映。季風(fēng)形成的主要原因是海陸比熱不同而造成的熱力差異，從而形成了大尺度的、隨著季節(jié)交替變化的局部熱力環(huán)流。一般以年為周期。全球性的風(fēng)中，出了大氣環(huán)流和季風(fēng)以外，還有急流和大氣長(zhǎng)波現(xiàn)象。82.季風(fēng)季風(fēng)是隨季節(jié)變化的風(fēng)，是在較大的范圍內(nèi)，盛行風(fēng)向隨地方性的風(fēng)1.

海陸風(fēng)海風(fēng)的形成b)陸風(fēng)的形成海陸風(fēng)形成示意圖9地方性的風(fēng)1.海陸風(fēng)海風(fēng)的形成2.

山谷風(fēng)谷風(fēng)的形成示意圖山風(fēng)的形成示意圖山谷風(fēng)形成示意圖102.山谷風(fēng)谷風(fēng)的形成示意圖山風(fēng)的形成示意圖山谷風(fēng)形成3.

焚風(fēng)山前有降水情況b)山前無(wú)降水情況焚風(fēng)形成示意圖113.焚風(fēng)山前有降水情況平均風(fēng)

平均風(fēng)速是指在某一時(shí)間間隔中，空間某點(diǎn)瞬時(shí)水平方向風(fēng)速的數(shù)值平均值，用下式表示。1平均風(fēng)速

風(fēng)能計(jì)算常用10分鐘（或1小時(shí)）平均風(fēng)速12平均風(fēng)平均風(fēng)速是指在某一時(shí)間間隔中，空間某點(diǎn)瞬時(shí)水平方向風(fēng)2平均風(fēng)速隨高度變化規(guī)律1）對(duì)數(shù)率變化z

—

距地高度（米）；z0—

地表粗燥長(zhǎng)度（米），其取值由下表給出：

地形沿海區(qū)開(kāi)闊場(chǎng)地建筑物不多的郊區(qū)建筑物較多的郊區(qū)大城市中心z0/m0.005~0.010.03~0.100.20~0.400.80~1.202.00~3.00132平均風(fēng)速隨高度變化規(guī)律1）對(duì)數(shù)率變化z—距地高2平均風(fēng)速隨高度變化規(guī)律2）指數(shù)率變化142平均風(fēng)速隨高度變化規(guī)律2）指數(shù)率變化143平均風(fēng)速隨時(shí)間變化規(guī)律

1）平均風(fēng)速的日變化由于太陽(yáng)照射引起地面受熱的晝夜變化，導(dǎo)致平均風(fēng)速在每天范圍內(nèi)也發(fā)生相應(yīng)變化。平均風(fēng)速的日變化153平均風(fēng)速隨時(shí)間變化規(guī)律1）平均風(fēng)速的日變化平均風(fēng)速3平均風(fēng)速隨時(shí)間變化規(guī)律

2）平均風(fēng)速的月變化下圖是位于中緯度某地平均風(fēng)速月變化實(shí)測(cè)曲線(xiàn)。平均風(fēng)速的月變化情況不同地區(qū)會(huì)有很大不同，很難找出一般規(guī)律。平均風(fēng)速的月變化163平均風(fēng)速隨時(shí)間變化規(guī)律2）平均風(fēng)速的月變化平均風(fēng)速所有參數(shù)應(yīng)每1s或2s采樣一次，計(jì)算平均值時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔為10min。z—距地高度（米）；盡可能接近電網(wǎng)并考慮并網(wǎng)可能產(chǎn)生的影響，通常為10%～15%；2）平均風(fēng)速的月變化風(fēng)輪運(yùn)行特性（變槳距風(fēng)力機(jī)）一般εu>εv>εω。微枝拆毀，人行向前，感覺(jué)阻力甚大定義風(fēng)輪軸功率系數(shù)（又稱(chēng)風(fēng)能利用系數(shù)）因?yàn)榇嬖谖擦骱蜏u流影響，風(fēng)輪葉片下游存在著尾跡渦，它形成兩個(gè)主要的渦區(qū)：一個(gè)在輪轂附近，一個(gè)在葉尖。大氣邊界層：受地表摩擦阻力影響的大氣層。三個(gè)正交方向上瞬時(shí)風(fēng)速分量的湍流強(qiáng)度海面對(duì)平均風(fēng)速概率分布曲線(xiàn)的影響不同地形與平坦地面風(fēng)速比值漁船滿(mǎn)帆時(shí)，可使船身傾向一側(cè)有葉的小樹(shù)搖擺，內(nèi)陸的水面有小波中尺度：空間數(shù)千米到數(shù)百千米，時(shí)間數(shù)分鐘到一周。風(fēng)力等級(jí)是依據(jù)風(fēng)對(duì)地面或海面物體影響而引起的各種現(xiàn)象確定的。海上年平均風(fēng)速的威布爾分布形狀系數(shù)比陸地大，平均風(fēng)速隨高度的變化比較平緩，湍流強(qiáng)度相對(duì)較低，風(fēng)向也比較穩(wěn)定。平均風(fēng)速參考值(m／s)3平均風(fēng)速隨時(shí)間變化規(guī)律

3）平均風(fēng)速的季度變化平均風(fēng)速的季節(jié)變化在世界上幾乎所有地區(qū)，一年內(nèi)的平均風(fēng)速都隨著季節(jié)發(fā)生明顯規(guī)律性的變化。我國(guó)大部分地區(qū)，最大風(fēng)速多在春季，而最小風(fēng)速多在夏季。17所有參數(shù)應(yīng)每1s或2s采樣一次，計(jì)算平均值時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔為4平均風(fēng)速分布

1）威布爾分布:2）瑞利分布:是威布爾分布在k=2時(shí)的特例式中：k—形狀系數(shù)，c—尺度系數(shù)某地的平均風(fēng)速概率密度曲線(xiàn)威布爾分布函數(shù)概率密度曲線(xiàn)184平均風(fēng)速分布1）威布爾分布:2）瑞利分布:是5平均風(fēng)向

最常用的方法是把圓周360°分成16個(gè)等分，每一個(gè)方位范圍是22.5°。風(fēng)向方位圖195平均風(fēng)向最常用的方法是把圓周360°分成16個(gè)等分，5平均風(fēng)向

某一風(fēng)向在一年或一個(gè)月中出現(xiàn)的頻率常用風(fēng)向玫瑰圖表示。Na）形式1

b）形式2風(fēng)向玫瑰圖205平均風(fēng)向某一風(fēng)向在一年或一個(gè)月中出現(xiàn)的頻率常用風(fēng)向玫脈動(dòng)風(fēng)脈動(dòng)風(fēng)速為瞬間風(fēng)速與平均風(fēng)速的差值，因此，其時(shí)間平均值為零：1．脈動(dòng)風(fēng)速脈動(dòng)風(fēng)速的概率密度函數(shù)非常接近于高斯分布或正態(tài)分布。概率密度函數(shù):

把脈動(dòng)風(fēng)看作平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，即可用某點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間的觀(guān)測(cè)樣本來(lái)代表整個(gè)脈動(dòng)風(fēng)的統(tǒng)計(jì)特性。這里僅介紹其風(fēng)速、湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)系數(shù)。21脈動(dòng)風(fēng)脈動(dòng)風(fēng)速為瞬間風(fēng)速與平均風(fēng)速的差值，因此，其時(shí)間平均值不同高度處的風(fēng)速時(shí)間歷程曲線(xiàn)1．脈動(dòng)風(fēng)速下圖是某處不同高度風(fēng)速的時(shí)間曲線(xiàn)。由圖可知，脈動(dòng)風(fēng)速隨高度的減小而增加，這是由于越接近地面受地貌特征及濕度分布影響越大造成的。22不同高度處的風(fēng)速時(shí)間歷程曲線(xiàn)1．脈動(dòng)風(fēng)速下圖是某處不同高度湍流強(qiáng)度用來(lái)描述變化的程度，反映脈動(dòng)風(fēng)速的相對(duì)強(qiáng)度2.湍流強(qiáng)度三個(gè)正交方向上瞬時(shí)風(fēng)速分量的湍流強(qiáng)度u’

，

v’

，ω’

—分別為三個(gè)正交方向上的脈動(dòng)風(fēng)速分量一般εu>εv>εω。在工程中，我們主要考慮縱向湍流強(qiáng)度εuZ

—離地面高度,α—地表粗糙長(zhǎng)度23湍流強(qiáng)度用來(lái)描述變化的程度，反映脈動(dòng)風(fēng)速的相對(duì)強(qiáng)度2.湍流下圖分別給出了縱向湍流強(qiáng)度隨高度和地表粗糙度長(zhǎng)度變化的曲線(xiàn)。由圖可知，縱向湍流強(qiáng)度隨高度的增加而減小，隨地表粗糙度長(zhǎng)度的增加而增大。2.湍流強(qiáng)度縱向湍流強(qiáng)度隨高度的變化曲線(xiàn)縱向湍流強(qiáng)度隨地面粗糙長(zhǎng)度的變化曲線(xiàn)24下圖分別給出了縱向湍流強(qiáng)度隨高度和地表粗糙度長(zhǎng)度變化的曲線(xiàn)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要考慮陣風(fēng)的影響，因此，引入陣風(fēng)系數(shù)G。陣風(fēng)系數(shù)是指陣風(fēng)風(fēng)速與平均風(fēng)速之比，它與湍流強(qiáng)度有關(guān)。湍流強(qiáng)度越大，則陣風(fēng)系數(shù)越大；陣風(fēng)持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)則陣風(fēng)系數(shù)越小。有關(guān)文獻(xiàn)給出了如下表達(dá)式：3.陣風(fēng)系數(shù)式中εu

—縱向湍流強(qiáng)度；T—陣風(fēng)持續(xù)時(shí)間25在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要考慮陣風(fēng)的影響，因此，引入陣風(fēng)系數(shù)G。陣風(fēng)極端風(fēng)1）熱帶氣旋2）寒潮大風(fēng)3）龍卷風(fēng)1.極端風(fēng)種類(lèi)2.重現(xiàn)期若重現(xiàn)期為N，則超過(guò)設(shè)計(jì)最大風(fēng)速的概率為，保證率就為

取一個(gè)大于各年份最大風(fēng)速平均值的風(fēng)速作為設(shè)計(jì)最大風(fēng)速。從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度，這個(gè)風(fēng)速要間隔一段時(shí)間才出現(xiàn)一次，這段間隔時(shí)間叫重現(xiàn)期。。26極端風(fēng)1）熱帶氣旋1.極端風(fēng)種類(lèi)2.重現(xiàn)期若重現(xiàn)期為山前有降水情況b)山前無(wú)降水情況。設(shè)定風(fēng)速高：風(fēng)速高時(shí)獲得大量風(fēng)能，風(fēng)速低時(shí)效率低下4）年風(fēng)能可利用時(shí)間：一年中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在有效風(fēng)速范圍內(nèi)的運(yùn)行時(shí)間（一般有效風(fēng)速范圍取3～25m/s）2）平均風(fēng)速的月變化漁船加倍縮帆，捕魚(yú)須注意風(fēng)險(xiǎn)大氣邊界層：受地表摩擦阻力影響的大氣層。海面對(duì)平均風(fēng)速概率分布曲線(xiàn)的影響單位時(shí)間內(nèi)氣流流過(guò)截面積為S的氣體所具有的動(dòng)能為天氣尺度：空間數(shù)百千米到數(shù)千千米，時(shí)間數(shù)天到數(shù)周。3風(fēng)能資源評(píng)估及風(fēng)電場(chǎng)選址概述大氣邊界層：受地表摩擦阻力影響的大氣層。圖2-31槳距角作為參數(shù)及的功率2平均風(fēng)速隨高度變化規(guī)律海面對(duì)平均風(fēng)速概率分布曲線(xiàn)的影響2平均風(fēng)速隨高度變化規(guī)律由于太陽(yáng)照射引起地面受熱的晝夜變化，導(dǎo)致平均風(fēng)速在每天范圍內(nèi)也發(fā)生相應(yīng)變化。威布爾分布函數(shù)概率密度曲線(xiàn)1）風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速-氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)2平均風(fēng)速隨高度變化規(guī)律3.最大風(fēng)速概率分布

a—

尺度參數(shù)；b—

位置參數(shù)分布函數(shù)：某地年最大風(fēng)速的累積分布曲線(xiàn)27山前有降水情況4.設(shè)計(jì)最大風(fēng)速式中，μ—保證系數(shù)

重現(xiàn)期N/年30501001000保證率p0.9670.9800.9900.999保證系數(shù)μ2.202.593.144.94設(shè)計(jì)最大風(fēng)速可用最大風(fēng)速累積分布函數(shù)來(lái)求取。設(shè)計(jì)最大風(fēng)速為不同重現(xiàn)期N下的保證系數(shù)284.設(shè)計(jì)最大風(fēng)速式中，μ—保證系數(shù)重現(xiàn)期N/年30501地形地貌對(duì)風(fēng)的影響1)地面建筑物地面建筑物對(duì)風(fēng)速的擾動(dòng)區(qū)范圍大小取決于建筑物的形狀（寬高比）。

建筑物形狀B/H下游距離5H10H20H風(fēng)速降低/（%）湍流增強(qiáng)/（%）風(fēng)速降低/（%）湍流增強(qiáng)/（%）風(fēng)速降低/（%）湍流增強(qiáng)/（%）43625147513241511540.51114512-0.332.52.51.30.75--0.2522.510.50--尾流區(qū)高度1.5H2.0H3.0H注：B為建筑物寬度，H為建筑物高度建筑物形狀對(duì)下游風(fēng)特性的影響建筑物對(duì)風(fēng)特性的影響29地形地貌對(duì)風(fēng)的影響1)地面建筑物建筑物形狀B/H下游距離52)地形地形對(duì)風(fēng)速分布的影響更大。山丘、山谷、盆地等不僅會(huì)改變風(fēng)的速度分布，還會(huì)使風(fēng)向產(chǎn)生較大的變化。不同地形平地平均風(fēng)速/（m/s）3~56~8山間盆地0.95~0.850.85~0.70彎曲河谷0.80~0.700.70~0.60山脊背風(fēng)坡0.90~0.800.80~0.70山脊迎風(fēng)坡1.20~1.101.10峽谷口或山口1.40~1.301.20不同地形與平坦地面風(fēng)速比值302)地形不同地形平地平均風(fēng)速/（m/s）3~56~8山間盆地3)海上風(fēng)特性

海上年平均風(fēng)速的威布爾分布形狀系數(shù)比陸地大，平均風(fēng)速隨高度的變化比較平緩，湍流強(qiáng)度相對(duì)較低，風(fēng)向也比較穩(wěn)定。

海面對(duì)平均風(fēng)速概率分布曲線(xiàn)的影響海面對(duì)風(fēng)速廓線(xiàn)的影響313)海上風(fēng)特性海面對(duì)平均風(fēng)速概率分布曲線(xiàn)的影響海面對(duì)風(fēng)速廓基本要求：風(fēng)資源測(cè)量時(shí)，通常按照下表所列項(xiàng)目進(jìn)行。所有參數(shù)應(yīng)每1s或2s采樣一次，計(jì)算平均值時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔為10min。測(cè)量風(fēng)速時(shí)要在多個(gè)高度測(cè)量，以確定風(fēng)的切變特性。測(cè)風(fēng)時(shí)間應(yīng)至少連續(xù)一年以上，2.2風(fēng)的測(cè)量與估計(jì)項(xiàng)目測(cè)量參數(shù)記錄值基本參數(shù)風(fēng)速/(m/s)平均值，標(biāo)準(zhǔn)偏差，最大/最小值風(fēng)向/(°)平均值，標(biāo)準(zhǔn)偏差氣溫/°C平均值，最大/最小值可選參數(shù)太陽(yáng)輻射/(W/m2)平均值，最大/最小值垂直風(fēng)速/(m/s)平均值，標(biāo)準(zhǔn)偏差大氣壓/hPa平均值，最大/最小值溫度變化/°C平均值，最大/最小值32基本要求：風(fēng)資源測(cè)量時(shí)，通常按照下表所列項(xiàng)目進(jìn)行。所有參數(shù)應(yīng)風(fēng)向測(cè)量

風(fēng)向標(biāo)：尾翼、指向針、平衡錘及旋轉(zhuǎn)軸風(fēng)向信號(hào)產(chǎn)生：環(huán)形電位計(jì)、碼盤(pán)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上的風(fēng)向標(biāo)33風(fēng)向測(cè)量風(fēng)向標(biāo)：尾翼、指向針、平衡錘及旋轉(zhuǎn)軸大型風(fēng)力發(fā)風(fēng)速測(cè)量

旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計(jì)

1.風(fēng)杯

2.螺旋槳葉風(fēng)杯螺旋槳式a數(shù)值即為起動(dòng)風(fēng)速;N是風(fēng)速計(jì)轉(zhuǎn)速;通常c?b(c≈b×10-4)34風(fēng)速測(cè)量旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計(jì)風(fēng)杯螺旋槳式a數(shù)值即為起動(dòng)風(fēng)速;N35風(fēng)能資源大小常用風(fēng)能密度來(lái)表示。風(fēng)能密度是指垂直于風(fēng)向，單位面積上，單位時(shí)間流過(guò)的空氣的動(dòng)能（功率密度），計(jì)算公式為：平均風(fēng)能密度)風(fēng)能估計(jì)35風(fēng)能資源大小常用風(fēng)能密度來(lái)表示。風(fēng)能估計(jì)平均功率密度的數(shù)學(xué)期望(均值)風(fēng)能估計(jì)有：

令

結(jié)論：風(fēng)能密度仍然符和威布爾分布。估計(jì)平均風(fēng)能密度，就變成了對(duì)參數(shù)c，k的估計(jì)。K——形狀系數(shù)，C——尺度系數(shù)36平均功率密度的數(shù)學(xué)期望(均值)風(fēng)能估計(jì)有：令結(jié)論：風(fēng)能1）平均風(fēng)速：年平均風(fēng)速（30年，至少10年每小時(shí)或每10分鐘平均風(fēng)速數(shù)據(jù)）風(fēng)：指空氣相對(duì)于地球表面的運(yùn)動(dòng)，是由于大氣中熱力和動(dòng)力的空間不均勻性所形成的。下圖分別給出了縱向湍流強(qiáng)度隨高度和地表粗糙度長(zhǎng)度變化的曲線(xiàn)。3平均風(fēng)速隨時(shí)間變化規(guī)律設(shè)定風(fēng)速低：風(fēng)速低時(shí)產(chǎn)生功率小，風(fēng)速高時(shí)發(fā)生失速，效率偏低為有效范圍內(nèi)的概率分布函數(shù)1）轉(zhuǎn)速設(shè)定對(duì)輸出功率的影響（恒速風(fēng)機(jī)）1）轉(zhuǎn)速設(shè)定對(duì)輸出功率的影響（恒速風(fēng)機(jī)）風(fēng)向信號(hào)產(chǎn)生：環(huán)形電位計(jì)、碼盤(pán)有葉的小樹(shù)搖擺，內(nèi)陸的水面有小波所有參數(shù)應(yīng)每1s或2s采樣一次，計(jì)算平均值時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔為10min。，通常為10%～15%；3）槳盤(pán)上沒(méi)有摩擦力；這里僅介紹其風(fēng)速、湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)系數(shù)。建筑物有小損（煙囪頂部及平屋搖動(dòng)）縱向湍流強(qiáng)度隨地面粗糙長(zhǎng)度的變化曲線(xiàn)風(fēng)速和風(fēng)向時(shí)間歷程曲線(xiàn)風(fēng)：指空氣相對(duì)于地球表面的運(yùn)動(dòng)，是由于大氣中熱力和動(dòng)力的空間不均勻性所形成的。若重現(xiàn)期為N，則超過(guò)設(shè)計(jì)最大風(fēng)速的概率為設(shè)定風(fēng)速低：風(fēng)速低時(shí)產(chǎn)生功率小，風(fēng)速高時(shí)發(fā)生失速，效率偏低最小二乘法估計(jì)

風(fēng)能估計(jì)（c和k的估計(jì)）

取對(duì)數(shù)：

令b=K，則：K=b得到的風(fēng)速出現(xiàn)范圍劃成n個(gè)風(fēng)速區(qū)間,統(tǒng)計(jì)各風(fēng)速間隔出現(xiàn)的頻率f1…fn,計(jì)算累計(jì)頻率P1=f1,P2=P1+f2…

37取1）平均風(fēng)速：年平均風(fēng)速（30年，至少10年每小時(shí)或每10平均風(fēng)速和標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)風(fēng)能估計(jì)（c和k的估計(jì)）

通常用如下近似關(guān)系式求解K在應(yīng)用中，我們用平均風(fēng)速來(lái)估計(jì)和→38平均風(fēng)速和標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)風(fēng)能估計(jì)（c和k的估計(jì)）通常用如平均風(fēng)速和最大風(fēng)速估計(jì)風(fēng)能估計(jì)（c和k的估計(jì)）

由有為在時(shí)間段T內(nèi)觀(guān)測(cè)到的10min平均最大風(fēng)速，它出現(xiàn)的概率為K值通常在1.0～2.6之間，此時(shí)因此:39平均風(fēng)速和最大風(fēng)速估計(jì)風(fēng)能估計(jì)（c和k的估計(jì)）由有為年均有效風(fēng)能估計(jì)

風(fēng)能估計(jì)年平均有效風(fēng)能是指一年中在有效風(fēng)速范圍內(nèi)的風(fēng)能的平均密度，可用下式計(jì)算有效風(fēng)速范圍(目前通常為3m/s～25m/s),為有效范圍內(nèi)的概率分布函數(shù)

(在應(yīng)用中，可以用數(shù)值積分的辦法得到)40年均有效風(fēng)能估計(jì)風(fēng)能估計(jì)年平均有效風(fēng)能是指一年中在有效風(fēng)速指標(biāo)豐富區(qū)較豐富區(qū)可利用區(qū)貧乏區(qū)年有效風(fēng)能密度W／㎡﹥200200～150150～100﹤100風(fēng)速≧3m／s年累計(jì)時(shí)數(shù)h﹥50005000～40004000～2000﹤2000風(fēng)速≧6m／s年累計(jì)時(shí)數(shù)h﹥20002200～15001500～350﹤350占全國(guó)面積百分比8185024高度10m30m50m風(fēng)功率密度等級(jí)風(fēng)功率密度(w／㎡)平均風(fēng)速參考值(m／s)風(fēng)功率密度(w／㎡）平均風(fēng)速參考值(m／s)風(fēng)功率密度(w／㎡）平均風(fēng)速參考值(m／s)應(yīng)用1﹤1004．4﹤1605．1﹤2005．62100~1505．1160~2405．9200~3006．43150~2005．6240~3206．5300~4007．0較好4200~2506．0320~4007．0400~5007．5好5250~3006．4400~4807．4500~6008．0很好6300~4007．0480~6408．2600~8008．87400~10009．4640~160011．0800~200011．9國(guó)際上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源等級(jí)劃分

412.3風(fēng)能資源評(píng)估及風(fēng)電場(chǎng)選址概述

風(fēng)能資源四類(lèi)區(qū)域指標(biāo)豐富區(qū)較豐富區(qū)可利用區(qū)貧乏區(qū)年有效風(fēng)能密度W／㎡﹥200風(fēng)能資源評(píng)估

目的：預(yù)測(cè)風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能的潛力主要評(píng)估參數(shù)：

1）平均風(fēng)速：年平均風(fēng)速（30年，至少10年每小時(shí)或每10分鐘平均風(fēng)速數(shù)據(jù)

）

2）主要風(fēng)向分布:依據(jù)多年統(tǒng)計(jì)資料和至少最近一年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

3）風(fēng)功率密度：由風(fēng)速和空氣密度得到

4）年風(fēng)能可利用時(shí)間：一年中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在有效風(fēng)速范圍內(nèi)的運(yùn)行時(shí)間（一般有效風(fēng)速范圍取3～25m/s）42風(fēng)能資源評(píng)估目的：預(yù)測(cè)風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能的潛力421）宏觀(guān)選址：風(fēng)能質(zhì)量好風(fēng)向基本穩(wěn)定風(fēng)速變化小盡量避開(kāi)災(zāi)難性天氣頻發(fā)地區(qū)發(fā)電機(jī)組高度范圍內(nèi)風(fēng)速的垂直變化?。ù怪鼻凶冃。┑匦螚l件好——地形盡可能單一地質(zhì)情況能滿(mǎn)足塔架基礎(chǔ)、房屋建筑施工的要求，遠(yuǎn)離強(qiáng)地震帶等對(duì)環(huán)境不利影響小盡可能接近電網(wǎng)并考慮并網(wǎng)可能產(chǎn)生的影響交通方便風(fēng)能資源分析軟件：WASP(WindAtlasAnalysisandAplicationgPrograms)風(fēng)電場(chǎng)選址431）宏觀(guān)選址：風(fēng)電場(chǎng)選址432）微觀(guān)選址：考慮地形的影響 平坦地形：考慮地面障礙物 復(fù)雜地形：在山丘和谷地，要考慮谷地方向與主要盛行風(fēng)向的關(guān)系考慮機(jī)組的排列方式 對(duì)于平坦地形，盛行主風(fēng)向?yàn)橐粋€(gè)或相反的兩個(gè)方向時(shí)，一般按矩陣式排列；多盛行風(fēng)向，一般采用田字型或園型排布，發(fā)電機(jī)組間距通常取10～12倍風(fēng)輪直徑。風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件：WindFarmer(WindFarmerDesignandOptimigzationSoftware)風(fēng)電場(chǎng)選址442）微觀(guān)選址：風(fēng)電場(chǎng)選址44

--相對(duì)厚度，

--最大厚度，即弦長(zhǎng)法線(xiàn)方向之翼型最大厚度；A點(diǎn)--前緣點(diǎn)；B點(diǎn)--后緣點(diǎn)，A、B點(diǎn)相距最遠(yuǎn)；

--弦長(zhǎng)，是兩端點(diǎn)A、B連線(xiàn)方向上翼形的最大長(zhǎng)度；1、槳葉翼型參數(shù)2.4風(fēng)能轉(zhuǎn)換基本原理

，通常為10%～15%；

--槳距角，是風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面與弦線(xiàn)間的夾角；

--攻角，是來(lái)流速度方向與弦線(xiàn)間的夾角；--相對(duì)厚度，--最大厚度，即弦長(zhǎng)法線(xiàn)方向之2、槳葉上的氣動(dòng)力空氣動(dòng)力的一個(gè)分力與氣流方向垂直，它使平板上升，稱(chēng)為升力；另一個(gè)分力與氣流方向相同，稱(chēng)為阻力。升力系數(shù)與阻力系數(shù)之比稱(chēng)為升阻比

--總的氣動(dòng)力系數(shù)，無(wú)量綱；

--升力系數(shù)，無(wú)量綱；

--阻力系數(shù)，無(wú)量綱。2、槳葉上的氣動(dòng)力空氣動(dòng)力的一個(gè)分力與氣流方平地平均風(fēng)速/（m/s）--最大厚度，即弦長(zhǎng)法線(xiàn)方向之翼型最大厚度；風(fēng)速≧3m／s年累計(jì)時(shí)數(shù)h表面粗糙度和雷諾數(shù)的影響1、風(fēng)輪動(dòng)量理論(貝茲極限理論)得到的風(fēng)速出現(xiàn)范圍劃成n個(gè)風(fēng)速區(qū)間,統(tǒng)計(jì)各風(fēng)速間隔出現(xiàn)的頻率f1…fn,計(jì)算累計(jì)頻率P1=f1,P2=P1+f2…--升力系數(shù)，無(wú)量綱；風(fēng)能估計(jì)（c和k的估計(jì)）小尺度：空間數(shù)米到數(shù)千米，時(shí)間數(shù)秒到數(shù)天。在工程中，我們主要考慮縱向湍流強(qiáng)度εu2平均風(fēng)速隨高度變化規(guī)律1)中心渦，集中在轉(zhuǎn)軸上；設(shè)定風(fēng)速低：風(fēng)速低時(shí)產(chǎn)生功率小，風(fēng)速高時(shí)發(fā)生失速，效率偏低平均值，標(biāo)準(zhǔn)偏差，最大/最小值實(shí)度對(duì)風(fēng)力機(jī)特性的影響中尺度：空間數(shù)千米到數(shù)百千米，時(shí)間數(shù)分鐘到一周。定義風(fēng)輪軸功率系數(shù)（又稱(chēng)風(fēng)能利用系數(shù)）風(fēng)向標(biāo)：尾翼、指向針、平衡錘及旋轉(zhuǎn)軸為在時(shí)間段T內(nèi)觀(guān)測(cè)到的10min平均最大風(fēng)速，它出現(xiàn)的概率為平地平均風(fēng)速/（m/s）3、影響升力系數(shù)和阻力系數(shù)的因素

攻角的影響翼型的影響(彎度、厚度及前緣)表面粗糙度和雷諾數(shù)的影響平地平均風(fēng)速/（m/s）3、影響升力系數(shù)和阻力系數(shù)的因素攻風(fēng)能轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)理論

1、風(fēng)輪動(dòng)量理論(貝茲極限理論)理想假設(shè)(不考慮風(fēng)輪尾流的旋轉(zhuǎn))

1）氣流是不可壓縮的均勻定常流；2）風(fēng)輪簡(jiǎn)化成一個(gè)漿盤(pán)；3）槳盤(pán)上沒(méi)有摩擦力；4）風(fēng)輪流動(dòng)模型簡(jiǎn)化成一個(gè)單元流管；5）風(fēng)輪前后遠(yuǎn)方的氣流靜壓相等；6）軸向力（推力）沿漿盤(pán)均勻分布。風(fēng)輪流動(dòng)的單元流管模型

單位時(shí)間內(nèi)氣流流過(guò)截面積為S的氣體所具有的動(dòng)能為

風(fēng)能轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)理論1、風(fēng)輪動(dòng)量理論(貝茲極限理論)理想2、風(fēng)輪動(dòng)量理論(貝茲極限理論)由動(dòng)量方程得到作用在風(fēng)輪上的軸向力F為：

風(fēng)輪（3）（2）（1）（3）（1）（1）S1V1S

VS2V2根據(jù)右圖：由伯努利方程可得

：假設(shè)風(fēng)輪遠(yuǎn)方的氣流靜壓相等，即得:

2、風(fēng)輪動(dòng)量理論(貝茲極限理論)由動(dòng)量方程得到作用在風(fēng)輪由：

風(fēng)輪（3）（2）（1）（3）（1）（1）S1V1S

VS2V2這表明流過(guò)風(fēng)輪的速度是風(fēng)輪前來(lái)流風(fēng)速和風(fēng)輪后尾流速度的平均值。根據(jù)能量方程有：由：風(fēng)輪（3）（2）（1）（3）（1）（1）S1V1S當(dāng)：

此值稱(chēng)之為貝茲（Betz）極限，它表示在理想情況下，風(fēng)輪最多能吸收59.3％的風(fēng)的動(dòng)能，也就是說(shuō)其理論最大效率值為0.593，說(shuō)明風(fēng)輪從自然風(fēng)中所能索取的能量是有限的。時(shí)，則P出現(xiàn)極值，求解后得

定義風(fēng)輪軸功率系數(shù)（又稱(chēng)風(fēng)能利用系數(shù)）當(dāng)：此值稱(chēng)之為貝茲（Betz）極限，它表示在理想情況下，2、風(fēng)輪葉素理論葉素：將風(fēng)輪葉片沿展向分成若干個(gè)微元，這些微元稱(chēng)為葉素。

基本思想：通過(guò)對(duì)葉素的受力分析求得作用在每個(gè)葉素上的力和轉(zhuǎn)矩，再將所有微元轉(zhuǎn)矩和力相加得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳葉上的力和轉(zhuǎn)矩。2、風(fēng)輪葉素理論葉素：將風(fēng)輪葉片沿展向分成若干個(gè)微元，這葉素受力分析

氣流相對(duì)于葉片的相對(duì)速度為：

由受力分析圖可知:

I--傾角，為槳距角與攻角i之和，令升阻比：

風(fēng)輪的總轉(zhuǎn)矩是由風(fēng)輪槳葉所有葉素的轉(zhuǎn)矩微元之和。根據(jù)同樣可以由總轉(zhuǎn)矩得到風(fēng)力機(jī)吸收總的風(fēng)能。

葉素受力分析氣流相對(duì)于葉片的相對(duì)速度為：由受力分析圖可知3渦流理論因?yàn)榇嬖谖擦骱蜏u流影響，風(fēng)輪葉片下游存在著尾跡渦，它形成兩個(gè)主要的渦區(qū)：一個(gè)在輪轂附近，一個(gè)在葉尖。當(dāng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)每個(gè)葉片尖部的氣流的跡線(xiàn)為一螺旋線(xiàn)，在輪轂附近也存在同樣的情況，風(fēng)速的渦流系統(tǒng)如下圖。

風(fēng)速的渦流系統(tǒng)

由渦流引起的風(fēng)速可看成是由下列三個(gè)渦流系統(tǒng)疊加的結(jié)果：1)中心渦，集中在轉(zhuǎn)軸上；2)每個(gè)葉片的邊界渦；3)每個(gè)葉片尖部形成的螺旋渦。3渦流理論因?yàn)榇嬖谖擦骱蜏u流影響，風(fēng)輪葉片下3渦流理論渦流系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的影響可以分解為對(duì)風(fēng)速和對(duì)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速兩方面。渦流形成的氣流通過(guò)風(fēng)輪的軸向速度與風(fēng)速方向相反，旋轉(zhuǎn)速度方向與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速方向相同，矢量圖如下圖。風(fēng)速的渦流系統(tǒng)

假定：葉素理論中相對(duì)風(fēng)速及對(duì)應(yīng)傾角也發(fā)生相應(yīng)變化：3渦流理論渦流系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的影響可以分解為對(duì)風(fēng)速和對(duì)2.5風(fēng)力機(jī)運(yùn)行特性

風(fēng)輪空氣動(dòng)力特性風(fēng)力機(jī)基本特性，即風(fēng)輪的空氣動(dòng)力特性，通常由一簇包含風(fēng)能利用系數(shù)Cp和葉尖速比λ的無(wú)因次性能曲線(xiàn)來(lái)表達(dá)，Cp是葉尖速比和槳距角的高階非線(xiàn)性函數(shù)。例：一種擬合公式：

2.5風(fēng)力機(jī)運(yùn)行特性風(fēng)輪空氣動(dòng)力特性風(fēng)力機(jī)基本特性，即3）槳盤(pán)上沒(méi)有摩擦力；593，說(shuō)明風(fēng)輪從自然風(fēng)中所能索取的能量是有限的。得到的風(fēng)速出現(xiàn)范圍劃成n個(gè)風(fēng)速區(qū)間,統(tǒng)計(jì)各風(fēng)速間隔出現(xiàn)的頻率f1…fn,計(jì)算累計(jì)頻率P1=f1,P2=P1+f2…--最大厚度，即弦長(zhǎng)法線(xiàn)方向之翼型最大厚度；設(shè)定風(fēng)速高：風(fēng)速高時(shí)獲得大量風(fēng)能，風(fēng)速低時(shí)效率低下威布爾分布函數(shù)概率密度曲線(xiàn)陸上很少見(jiàn)，有則必有廣泛損壞z—距地高度（米）；3）風(fēng)功率密度：由風(fēng)速和空氣密度得到下圖是位于中緯度某地平均風(fēng)速月變化實(shí)測(cè)曲線(xiàn)。設(shè)定風(fēng)速高：風(fēng)速高時(shí)獲得大量風(fēng)能，風(fēng)速低時(shí)效率低下漁船漸覺(jué)顛簸，每小時(shí)可隨風(fēng)移行5?6公里2）平均風(fēng)速的月變化--最大厚度，即弦長(zhǎng)法線(xiàn)方向之翼型最大厚度；2、風(fēng)輪動(dòng)量理論(貝茲極限理論)湍流強(qiáng)度用來(lái)描述變化的程度，反映脈動(dòng)風(fēng)速的相對(duì)強(qiáng)度地形條件好——地形盡可能單一風(fēng)速≧3m／s年累計(jì)時(shí)數(shù)h在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要考慮陣風(fēng)的影響，因此，引入陣風(fēng)系數(shù)G。2平均風(fēng)速隨高度變化規(guī)律風(fēng)輪空氣動(dòng)力特性保持節(jié)距角不變，用一條曲線(xiàn)就能描述出它作為λ的函數(shù)的性能和表示從風(fēng)能中獲取的最大功率。風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中捕獲的機(jī)械功率為在任何風(fēng)速下，只要使得風(fēng)輪的尖速比λ＝λopt，就可維持風(fēng)力機(jī)在Cpmax下運(yùn)行，λopt稱(chēng)為最佳葉尖速比。使風(fēng)力機(jī)維持在最佳葉尖速比運(yùn)行的主要通過(guò)控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)達(dá)到這一目的，這時(shí)風(fēng)力機(jī)從風(fēng)能中獲取的機(jī)械功率為：

3）槳盤(pán)上沒(méi)有摩擦力；風(fēng)輪空氣動(dòng)力特性保持節(jié)距角不變，用一風(fēng)輪運(yùn)行特性（定槳距風(fēng)力機(jī)）1）轉(zhuǎn)速設(shè)定對(duì)輸出功率的影響（恒速風(fēng)機(jī)）設(shè)定風(fēng)速低：風(fēng)速低時(shí)產(chǎn)生功率小，風(fēng)速高時(shí)發(fā)生失速，效率偏低設(shè)定風(fēng)速高：風(fēng)速高時(shí)獲得大量風(fēng)能，風(fēng)速低時(shí)效率低下解決辦法：雙速風(fēng)力發(fā)電機(jī)2）槳距角設(shè)定的影響扭曲葉片；槳距角設(shè)定；槳距角調(diào)整風(fēng)輪運(yùn)行特性（定槳距風(fēng)力機(jī)）1）轉(zhuǎn)速設(shè)定對(duì)輸出功率的影響（風(fēng)輪運(yùn)行特性（變槳距風(fēng)力機(jī)）啟停特性：1）采用大的正槳距角時(shí)可以在葉輪啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生大的啟動(dòng)扭矩

2）關(guān)機(jī)時(shí)采用90度槳距角，這樣可以降低葉輪的空轉(zhuǎn)速度以便施加制動(dòng)剎車(chē)

運(yùn)行特性：1）風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速-氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)2）風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速-輸出功率曲線(xiàn)風(fēng)輪運(yùn)行特性（變槳距風(fēng)力機(jī)）啟停特性：風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速-輸出功率曲線(xiàn)風(fēng)速作為參數(shù)及

的風(fēng)輪功率

風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速-輸出功率曲線(xiàn)風(fēng)速作為參數(shù)及風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速-輸出功率曲線(xiàn)圖2-31槳距角作為參數(shù)及

的功率

風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速-輸出功率曲線(xiàn)圖2-31槳距角作為參數(shù)及風(fēng)輪運(yùn)行特性（變槳距風(fēng)力機(jī)）不同風(fēng)速下的扭矩－轉(zhuǎn)速特性

1）功率限制：所有電路及電力電子器件受功率限制；2）轉(zhuǎn)速限制：所有旋轉(zhuǎn)部件的機(jī)械強(qiáng)度受轉(zhuǎn)速限制。

風(fēng)輪運(yùn)行特性（變槳距風(fēng)力機(jī)）不同風(fēng)速下的扭矩－轉(zhuǎn)速特性1實(shí)度對(duì)風(fēng)力機(jī)特性的影響實(shí)度可以通過(guò)改變?nèi)~輪的槳葉數(shù)量改變，也可以通過(guò)改變槳葉的弦長(zhǎng)來(lái)改變

實(shí)度

：風(fēng)力機(jī)葉片的投影面積所占風(fēng)輪面積的比例B為葉片個(gè)數(shù)；S為葉片對(duì)風(fēng)投影面積

實(shí)度對(duì)風(fēng)力機(jī)特性的影響實(shí)度可以通過(guò)改變?nèi)~輪的槳葉數(shù)量改變，實(shí)度變化對(duì)風(fēng)能利用系數(shù)的影響

實(shí)度變化對(duì)風(fēng)能利用系數(shù)的影響風(fēng)的形成及其基本特性風(fēng)：指空氣相對(duì)于地球表面的運(yùn)動(dòng)，是由于大氣中熱力和動(dòng)力的空間不均勻性所形成的。大氣邊界層：受地表摩擦阻力影響的大氣層。按高度分成三個(gè)區(qū)域：底層、下部摩擦層、上部摩擦層。邊界層空氣在高度方向上特點(diǎn)：空氣上下對(duì)流運(yùn)動(dòng)水平運(yùn)動(dòng)速度隨高度變化風(fēng)向隨高度變化大氣湍流特性隨高度變化2.1風(fēng)的形成及其特性大氣邊界層1.

風(fēng)的形成65風(fēng)的形成及其基本特性風(fēng)：指空氣相對(duì)于地球表面的運(yùn)動(dòng)，是由于大2平均風(fēng)速隨高度變化規(guī)律2）指數(shù)率變化662平均風(fēng)速隨高度變化規(guī)律2）指數(shù)率變化66湍流強(qiáng)度用來(lái)描述變化的程度，反映脈動(dòng)風(fēng)速的相對(duì)強(qiáng)度2.湍流強(qiáng)度三個(gè)正交方向上瞬時(shí)風(fēng)速分量的湍流強(qiáng)度u’

，

v’

，ω’

—分別為三個(gè)正交方向上的脈動(dòng)風(fēng)速分量一般εu>εv>εω。在工程中，我們主要考慮縱向湍流強(qiáng)度εuZ

—離地面高度,α—地表粗糙長(zhǎng)度67湍流強(qiáng)度用來(lái)描述變化的程度，反映脈動(dòng)風(fēng)速的相對(duì)強(qiáng)度2.湍流2)地形地形對(duì)風(fēng)速分布的影響更大。山丘、山谷、盆地等不僅會(huì)改變風(fēng)的速度分布，還會(huì)使風(fēng)向產(chǎn)生較大的變化。不同地形平地平均風(fēng)速/（m/s）3~56~8山間盆地0.95~0.850.85~0.70彎曲河谷0.80~0.700.70~0.60山脊背風(fēng)坡0.90~0.800.80~0.70山脊迎風(fēng)坡1.20~1.101.10峽谷口或山口1.40~1.301.20不同地形與平坦地面風(fēng)速比值682)地形不同地形平地平均風(fēng)速/（m/s）3~56~8山間盆地3)海上風(fēng)特性

海上年平均風(fēng)速的威布爾分布形狀系數(shù)比陸地大，平均風(fēng)速隨高度的變化比較平緩，湍流強(qiáng)度相對(duì)較低，風(fēng)向也比較穩(wěn)定。

海面對(duì)平均風(fēng)速概率分布曲線(xiàn)的影響海面對(duì)風(fēng)速廓線(xiàn)的影響693)海上風(fēng)特性海面對(duì)平均風(fēng)速概率分布曲線(xiàn)的影響海面對(duì)風(fēng)速廓最小二乘法估計(jì)

風(fēng)能估計(jì)（c和k的估計(jì)）

取對(duì)數(shù)：

令b=K，則：K=b得到的風(fēng)速出現(xiàn)范圍劃成n個(gè)風(fēng)速區(qū)間,統(tǒng)計(jì)各風(fēng)速間隔出現(xiàn)的頻率f1…fn,計(jì)算累計(jì)頻率P1=f1,P2=P1+f2…

70取最小二乘法估計(jì)風(fēng)能估計(jì)（c和k的估計(jì)）取對(duì)數(shù)：令

--相對(duì)厚度，

--最大厚度，即弦長(zhǎng)法線(xiàn)方向之翼型最大厚度；A點(diǎn)--前緣點(diǎn)；B點(diǎn)--后緣點(diǎn)，A、B點(diǎn)相距最遠(yuǎn)；

--弦長(zhǎng)，是兩端點(diǎn)A、B連線(xiàn)方向上翼形的最大長(zhǎng)度；1、槳葉翼型參數(shù)2.4風(fēng)能轉(zhuǎn)換基本原理

，通常為10%～15%；

--槳距角，是風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面與弦線(xiàn)間的夾角；

--攻角，是來(lái)流速度方向與弦線(xiàn)間的夾角；--相對(duì)厚度，--最大厚度，即弦長(zhǎng)法線(xiàn)方向之2平均風(fēng)速隨高度變化規(guī)律--槳距角，是風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面與弦線(xiàn)間的夾角；設(shè)定風(fēng)速高：風(fēng)速高時(shí)獲得大量風(fēng)能，風(fēng)速低時(shí)效率低下平地平均風(fēng)速/（m/s）人面感覺(jué)有風(fēng)，樹(shù)葉微響，風(fēng)向標(biāo)能轉(zhuǎn)動(dòng)平均風(fēng)速的月變化情況不同地區(qū)會(huì)有很大不同，很難找出一般規(guī)律。2平均風(fēng)速隨高度變化規(guī)律實(shí)度對(duì)風(fēng)力機(jī)特性的影響風(fēng)能資源分析軟件：WASP(WindAtlasAnalysisandAplicationgPrograms)下圖是位于中緯度某地平均風(fēng)速月變化實(shí)測(cè)曲線(xiàn)。4風(fēng)能轉(zhuǎn)換基本原理平地平均風(fēng)速/（m/s）風(fēng)速≧3m／s年累計(jì)時(shí)數(shù)h--最大厚度，即弦長(zhǎng)法線(xiàn)方向之翼型最大厚度；風(fēng)：指空氣相對(duì)于地球表面的運(yùn)動(dòng)，是由于大氣中熱力和動(dòng)力的空間不均勻性所形成的。z—距地高度（米）；湍流強(qiáng)度用來(lái)描述變化的程度，反映脈動(dòng)風(fēng)速的相對(duì)強(qiáng)度3平均風(fēng)速隨時(shí)間變化規(guī)律由動(dòng)量方程得到作用在風(fēng)輪上的軸向力F為：設(shè)定風(fēng)速高：風(fēng)速高時(shí)獲得大量風(fēng)能，風(fēng)速低時(shí)效率低下風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速-輸出功率曲線(xiàn)圖2-31槳距角作為參數(shù)及

的功率

2平均風(fēng)速隨高度變化規(guī)律風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速-輸出功率曲線(xiàn)圖2-31本章內(nèi)容2.1風(fēng)的形成及其特性2.2風(fēng)的測(cè)量與估計(jì)2.3風(fēng)能資源評(píng)估及風(fēng)電場(chǎng)選址概述2.4風(fēng)能轉(zhuǎn)換基本原理2.5風(fēng)力機(jī)運(yùn)行特性73本章內(nèi)容1風(fēng)的形成及其基本特性風(fēng)：指空氣相對(duì)于地球表面的運(yùn)動(dòng)，是由于大氣中熱力和動(dòng)力的空間不均勻性所形成的。大氣邊界層：受地表摩擦阻力影響的大氣層。按高度分成三個(gè)區(qū)域：底層、下部摩擦層、上部摩擦層。邊界層空氣在高度方向上特點(diǎn)：空氣上下對(duì)流運(yùn)動(dòng)水平運(yùn)動(dòng)速度隨高度變化風(fēng)向隨高度變化大氣湍流特性隨高度變化2.1風(fēng)的形成及其特性大氣邊界層1.

風(fēng)的形成74風(fēng)的形成及其基本特性風(fēng)：指空氣相對(duì)于地球表面的運(yùn)動(dòng)，是由于大2.風(fēng)的尺度小尺度：空間數(shù)米到數(shù)千米，時(shí)間數(shù)秒到數(shù)天。中尺度：空間數(shù)千米到數(shù)百千米，時(shí)間數(shù)分鐘到一周。天氣尺度：空間數(shù)百千米到數(shù)千千米，時(shí)間數(shù)天到數(shù)周。行星尺度：空間數(shù)千千米以上，時(shí)間數(shù)周。氣流運(yùn)動(dòng)的空間和時(shí)間尺度752.風(fēng)的尺度小尺度：空間數(shù)米到數(shù)千米，時(shí)間數(shù)秒到數(shù)天。氣流3.風(fēng)的大小風(fēng)的大小通常指風(fēng)速的大小。風(fēng)速和風(fēng)向在時(shí)間、空間上的變化均是隨機(jī)的。通常把風(fēng)看作是由平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)兩部分組成。風(fēng)速和風(fēng)向時(shí)間歷程曲線(xiàn)763.風(fēng)的大小風(fēng)的大小通常指風(fēng)速的大小。風(fēng)速和風(fēng)向在時(shí)間、空3.風(fēng)的大小某地點(diǎn)平均風(fēng)速的大小除取決于時(shí)距外，還與所測(cè)點(diǎn)的高度有關(guān)，我國(guó)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)高度為10m。風(fēng)力等級(jí)是依據(jù)風(fēng)對(duì)地面或海面物體影響而引起的各種現(xiàn)象確定的。國(guó)際上采用的風(fēng)速等級(jí)是1805年英國(guó)人蒲福擬定的。在1946年，人們又把第12級(jí)（颶風(fēng)）分為6級(jí)。表見(jiàn)下頁(yè)。773.風(fēng)的大小某地點(diǎn)平均風(fēng)速的大小除取決于時(shí)距外，還與所測(cè)點(diǎn)風(fēng)力級(jí)數(shù)名稱(chēng)海面狀況海洋船只征象陸地地面征象相當(dāng)于空曠平地上標(biāo)準(zhǔn)高度10米處的風(fēng)速（米/秒）海浪一般(米)最高(米)0靜風(fēng)－－靜靜，煙直上0—0.21軟風(fēng)0.10.1平常漁船略覺(jué)搖動(dòng)煙能表示風(fēng)向，但風(fēng)向標(biāo)不能動(dòng)0.3—1.52輕風(fēng)0.20.3漁船張帆時(shí)，每小時(shí)可隨風(fēng)移行2?3公里人面感覺(jué)有風(fēng)，樹(shù)葉微響，風(fēng)向標(biāo)能轉(zhuǎn)動(dòng)1.6—3.33微風(fēng)0.61.0漁船漸覺(jué)顛簸

，每小時(shí)可隨風(fēng)移行5?6公里樹(shù)葉及微枝搖動(dòng)不息，旌旗展開(kāi)3.4—5.44和風(fēng)1.01.5漁船滿(mǎn)帆時(shí)，可使船身傾向一側(cè)能吹起地面灰塵和紙張，樹(shù)的小枝搖動(dòng)5.5—7.95清勁風(fēng)2.02.5漁船縮帆（即收去帆之一部）有葉的小樹(shù)搖擺，內(nèi)陸的水面有小波8.0—10.76強(qiáng)風(fēng)3.04.0漁船加倍縮帆，捕魚(yú)須注意風(fēng)險(xiǎn)大樹(shù)枝搖動(dòng)，電線(xiàn)呼呼有聲，舉傘困難10.8—13.87疾風(fēng)4.05.5漁船停泊港中，在海者下錨全樹(shù)搖動(dòng)，迎風(fēng)步行感覺(jué)不便13.9—17.18大風(fēng)5.57.5進(jìn)港的漁船皆停留不出微枝拆毀，人行向前，感覺(jué)阻力甚大17.2—20.79烈風(fēng)7.010.0汽船航行困難建筑物有小損（煙囪頂部及平屋搖動(dòng)）20.8—24.410狂風(fēng)9.012.5汽船航行頗危險(xiǎn)陸上少見(jiàn)，見(jiàn)時(shí)可使樹(shù)木拔起或使建筑物損壞嚴(yán)重24.5—28.411暴風(fēng)11.516.0汽船遇之極危險(xiǎn)陸上很少見(jiàn)，有則必有廣泛損壞28.5—32.612颶風(fēng)14.0－海浪滔天陸上絕少見(jiàn)，摧毀力極大32.7—36.913－－－－－37.0—41.414－－－－－41.5—46.115－－－－－46.2—50.916－－－－－51.0—56.017－－－－－56.1—61.278風(fēng)名稱(chēng)海面狀況海洋船只征象陸地地面征象相當(dāng)于空曠平地上標(biāo)準(zhǔn)全球性的風(fēng)大氣環(huán)流是全球范圍內(nèi)，由于太陽(yáng)輻射不均勻，產(chǎn)生赤道和極地的溫度和氣壓差異，導(dǎo)致的赤道上空的熱空氣向極地運(yùn)動(dòng)，而極地地面的冷空氣向赤道運(yùn)動(dòng)的循環(huán)狀態(tài)。1856年，美國(guó)人費(fèi)雷爾提出了更接近實(shí)際的“三圈環(huán)流”大氣運(yùn)動(dòng)模型。1.

大氣環(huán)流三圈環(huán)流示意圖79全球性的風(fēng)大氣環(huán)流是全球范圍內(nèi)，由于太陽(yáng)輻射不均勻，產(chǎn)生赤道2.季風(fēng)季風(fēng)是隨季節(jié)變化的風(fēng)，是在較大的范圍內(nèi)，盛行風(fēng)向隨季節(jié)明顯變化的反映。季風(fēng)形成的主要原因是海陸比熱不同而造成的熱力差異，從而形成了大尺度的、隨著季節(jié)交替變化的局部熱力環(huán)流。一般以年為周期。全球性的風(fēng)中，出了大氣環(huán)流和季風(fēng)以外，還有急流和大氣長(zhǎng)波現(xiàn)象。802.季風(fēng)季風(fēng)是隨季節(jié)變化的風(fēng)，是在較大的范圍內(nèi)，盛行風(fēng)向隨地方性的風(fēng)1.

海陸風(fēng)海風(fēng)的形成b)陸風(fēng)的形成海陸風(fēng)形成示意圖81地方性的風(fēng)1.海陸風(fēng)海風(fēng)的形成2.

山谷風(fēng)谷風(fēng)的形成示意圖山風(fēng)的形成示意圖山谷風(fēng)形成示意圖822.山谷風(fēng)谷風(fēng)的形成示意圖山風(fēng)的形成示意圖山谷風(fēng)形成3.

焚風(fēng)山前有降水情況b)山前無(wú)降水情況焚風(fēng)形成示意圖833.焚風(fēng)山前有降水情況平均風(fēng)

平均風(fēng)速是指在某一時(shí)間間隔中，空間某點(diǎn)瞬時(shí)水平方向風(fēng)速的數(shù)值平均值，用下式表示。1平均風(fēng)速

風(fēng)能計(jì)算常用10分鐘（或1小時(shí)）平均風(fēng)速84平均風(fēng)平均風(fēng)速是指在某一時(shí)間間隔中，空間某點(diǎn)瞬時(shí)水平方向風(fēng)2平均風(fēng)速隨高度變化規(guī)律1）對(duì)數(shù)率變化z

—

距地高度（米）；z0—

地表粗燥長(zhǎng)度（米），其取值由下表給出：

地形沿海區(qū)開(kāi)闊場(chǎng)地建筑物不多的郊區(qū)建筑物較多的郊區(qū)大城市中心z0/m0.005~0.010.03~0.100.20~0.400.80~1.202.00~3.00852平均風(fēng)速隨高度變化規(guī)律1）對(duì)數(shù)率變化z—距地高2平均風(fēng)速隨高度變化規(guī)律2）指數(shù)率變化862平均風(fēng)速隨高度變化規(guī)律2）指數(shù)率變化143平均風(fēng)速隨時(shí)間變化規(guī)律

1）平均風(fēng)速的日變化由于太陽(yáng)照射引起地面受熱的晝夜變化，導(dǎo)致平均風(fēng)速在每天范圍內(nèi)也發(fā)生相應(yīng)變化。平均風(fēng)速的日變化873平均風(fēng)速隨時(shí)間變化規(guī)律1）平均風(fēng)速的日變化平均風(fēng)速3平均風(fēng)速隨時(shí)間變化規(guī)律

2）平均風(fēng)速的月變化下圖是位于中緯度某地平均風(fēng)速月變化實(shí)測(cè)曲線(xiàn)。平均風(fēng)速的月變化情況不同地區(qū)會(huì)有很大不同，很難找出一般規(guī)律。平均風(fēng)速的月變化883平均風(fēng)速隨時(shí)間變化規(guī)律2）平均風(fēng)速的月變化平均風(fēng)速所有參數(shù)應(yīng)每1s或2s采樣一次，計(jì)算平均值時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔為10min。z—距地高度（米）；盡可能接近電網(wǎng)并考慮并網(wǎng)可能產(chǎn)生的影響，通常為10%～15%；2）平均風(fēng)速的月變化風(fēng)輪運(yùn)行特性（變槳距風(fēng)力機(jī)）一般εu>εv>εω。微枝拆毀，人行向前，感覺(jué)阻力甚大定義風(fēng)輪軸功率系數(shù)（又稱(chēng)風(fēng)能利用系數(shù)）因?yàn)榇嬖谖擦骱蜏u流影響，風(fēng)輪葉片下游存在著尾跡渦，它形成兩個(gè)主要的渦區(qū)：一個(gè)在輪轂附近，一個(gè)在葉尖。大氣邊界層：受地表摩擦阻力影響的大氣層。三個(gè)正交方向上瞬時(shí)風(fēng)速分量的湍流強(qiáng)度海面對(duì)平均風(fēng)速概率分布曲線(xiàn)的影響不同地形與平坦地面風(fēng)速比值漁船滿(mǎn)帆時(shí)，可使船身傾向一側(cè)有葉的小樹(shù)搖擺，內(nèi)陸的水面有小波中尺度：空間數(shù)千米到數(shù)百千米，時(shí)間數(shù)分鐘到一周。風(fēng)力等級(jí)是依據(jù)風(fēng)對(duì)地面或海面物體影響而引起的各種現(xiàn)象確定的。海上年平均風(fēng)速的威布爾分布形狀系數(shù)比陸地大，平均風(fēng)速隨高度的變化比較平緩，湍流強(qiáng)度相對(duì)較低，風(fēng)向也比較穩(wěn)定。平均風(fēng)速參考值(m／s)3平均風(fēng)速隨時(shí)間變化規(guī)律

3）平均風(fēng)速的季度變化平均風(fēng)速的季節(jié)變化在世界上幾乎所有地區(qū)，一年內(nèi)的平均風(fēng)速都隨著季節(jié)發(fā)生明顯規(guī)律性的變化。我國(guó)大部分地區(qū)，最大風(fēng)速多在春季，而最小風(fēng)速多在夏季。89所有參數(shù)應(yīng)每1s或2s采樣一次，計(jì)算平均值時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔為4平均風(fēng)速分布

1）威布爾分布:2）瑞利分布:是威布爾分布在k=2時(shí)的特例式中：k—形狀系數(shù)，c—尺度系數(shù)某地的平均風(fēng)速概率密度曲線(xiàn)威布爾分布函數(shù)概率密度曲線(xiàn)904平均風(fēng)速分布1）威布爾分布:2）瑞利分布:是5平均風(fēng)向

最常用的方法是把圓周360°分成16個(gè)等分，每一個(gè)方位范圍是22.5°。風(fēng)向方位圖915平均風(fēng)向最常用的方法是把圓周360°分成16個(gè)等分，5平均風(fēng)向

某一風(fēng)向在一年或一個(gè)月中出現(xiàn)的頻率常用風(fēng)向玫瑰圖表示。Na）形式1

b）形式2風(fēng)向玫瑰圖925平均風(fēng)向某一風(fēng)向在一年或一個(gè)月中出現(xiàn)的頻率常用風(fēng)向玫脈動(dòng)風(fēng)脈動(dòng)風(fēng)速為瞬間風(fēng)速與平均風(fēng)速的差值，因此，其時(shí)間平均值為零：1．脈動(dòng)風(fēng)速脈動(dòng)風(fēng)速的概率密度函數(shù)非常接近于高斯分布或正態(tài)分布。概率密度函數(shù):

把脈動(dòng)風(fēng)看作平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，即可用某點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間的觀(guān)測(cè)樣本來(lái)代表整個(gè)脈動(dòng)風(fēng)的統(tǒng)計(jì)特性。這里僅介紹其風(fēng)速、湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)系數(shù)。93脈動(dòng)風(fēng)脈動(dòng)風(fēng)速為瞬間風(fēng)速與平均風(fēng)速的差值，因此，其時(shí)間平均值不同高度處的風(fēng)速時(shí)間歷程曲線(xiàn)1．脈動(dòng)風(fēng)速下圖是某處不同高度風(fēng)速的時(shí)間曲線(xiàn)。由圖可知，脈動(dòng)風(fēng)速隨高度的減小而增加，這是由于越接近地面受地貌特征及濕度分布影響越大造成的。94不同高度處的風(fēng)速時(shí)間歷程曲線(xiàn)1．脈動(dòng)風(fēng)速下圖是某處不同高度湍流強(qiáng)度用來(lái)描述變化的程度，反映脈動(dòng)風(fēng)速的相對(duì)強(qiáng)度2.湍流強(qiáng)度三個(gè)正交方向上瞬時(shí)風(fēng)速分量的湍流強(qiáng)度u’

，

v’

，ω’

—分別為三個(gè)正交方向上的脈動(dòng)風(fēng)速分量一般εu>εv>εω。在工程中，我們主要考慮縱向湍流強(qiáng)度εuZ

—離地面高度,α—地表粗糙長(zhǎng)度95湍流強(qiáng)度用來(lái)描述變化的程度，反映脈動(dòng)風(fēng)速的相對(duì)強(qiáng)度2.湍流下圖分別給出了縱向湍流強(qiáng)度隨高度和地表粗糙度長(zhǎng)度變化的曲線(xiàn)。由圖可知，縱向湍流強(qiáng)度隨高度的增加而減小，隨地表粗糙度長(zhǎng)度的增加而增大。2.湍流強(qiáng)度縱向湍流強(qiáng)度隨高度的變化曲線(xiàn)縱向湍流強(qiáng)度隨地面粗糙長(zhǎng)度的變化曲線(xiàn)96下圖分別給出了縱向湍流強(qiáng)度隨高度和地表粗糙度長(zhǎng)度變化的曲線(xiàn)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要考慮陣風(fēng)的影響，因此，引入陣風(fēng)系數(shù)G。陣風(fēng)系數(shù)是指陣風(fēng)風(fēng)速與平均風(fēng)速之比，它與湍流強(qiáng)度有關(guān)。湍流強(qiáng)度越大，則陣風(fēng)系數(shù)越大；陣風(fēng)持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)則陣風(fēng)系數(shù)越小。有關(guān)文獻(xiàn)給出了如下表達(dá)式：3.陣風(fēng)系數(shù)式中εu

—縱向湍流強(qiáng)度；T—陣風(fēng)持續(xù)時(shí)間97在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要考慮陣風(fēng)的影響，因此，引入陣風(fēng)系數(shù)G。陣風(fēng)極端風(fēng)1）熱帶氣旋2）寒潮大風(fēng)3）龍卷風(fēng)1.極端風(fēng)種類(lèi)2.重現(xiàn)期若重現(xiàn)期為N，則超過(guò)設(shè)計(jì)最大風(fēng)速的概率為，保證率就為

取一個(gè)大于各年份最大風(fēng)速平均值的風(fēng)速作為設(shè)計(jì)最大風(fēng)速。從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度，這個(gè)風(fēng)速要間隔一段時(shí)間才出現(xiàn)一次，這段間隔時(shí)間叫重現(xiàn)期。。98極端風(fēng)1）熱帶氣旋1.極端風(fēng)種類(lèi)2.重現(xiàn)期若重現(xiàn)期為山前有降水情況b)山前無(wú)降水情況。設(shè)定風(fēng)速高：風(fēng)速高時(shí)獲得大量風(fēng)能，風(fēng)速低時(shí)效率低下4）年風(fēng)能可利用時(shí)間：一年中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在有效風(fēng)速范圍內(nèi)的運(yùn)行時(shí)間（一般有效風(fēng)速范圍取3～25m/s）2）平均風(fēng)速的月變化漁船加倍縮帆，捕魚(yú)須注意風(fēng)險(xiǎn)大氣邊界層：受地表摩擦阻力影響的大氣層。海面對(duì)平均風(fēng)速概率分布曲線(xiàn)的影響單位時(shí)間內(nèi)氣流流過(guò)截面積為S的氣體所具有的動(dòng)能為天氣尺度：空間數(shù)百千米到數(shù)千千米，時(shí)間數(shù)天到數(shù)周。3風(fēng)能資源評(píng)估及風(fēng)電場(chǎng)選址概述大氣邊界層：受地表摩擦阻力影響的大氣層。圖2-31槳距角作為參數(shù)及的功率2平均風(fēng)速隨高度變化規(guī)律海面對(duì)平均風(fēng)速概率分布曲線(xiàn)的影響2平均風(fēng)速隨高度變化規(guī)律由于太陽(yáng)照射引起地面受熱的晝夜變化，導(dǎo)致平均風(fēng)速在每天范圍內(nèi)也發(fā)生相應(yīng)變化。威布爾分布函數(shù)概率密度曲線(xiàn)1）風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速-氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)2平均風(fēng)速隨高度變化規(guī)律3.最大風(fēng)速概率分布

a—

尺度參數(shù)；b—

位置參數(shù)分布函數(shù)：某地年最大風(fēng)速的累積分布曲線(xiàn)99山前有降水情況4.設(shè)計(jì)最大風(fēng)速式中，μ—保證系數(shù)

重現(xiàn)期N/年30501001000保證率p0.9670.9800.9900.999保證系數(shù)μ2.202.593.144.94設(shè)計(jì)最大風(fēng)速可用最大風(fēng)速累積分布函數(shù)來(lái)求取。設(shè)計(jì)最大風(fēng)速為不同重現(xiàn)期N下的保證系數(shù)1004.設(shè)計(jì)最大風(fēng)速式中，μ—保證系數(shù)重現(xiàn)期N/年30501地形地貌對(duì)風(fēng)的影響1)地面建筑物地面建筑物對(duì)風(fēng)速的擾動(dòng)區(qū)范圍大小取決于建筑物的形狀（寬高比）。

建筑物形狀B/H下游距離5H10H20H風(fēng)速降低/（%）湍流增強(qiáng)/（%）風(fēng)速降低/（%）湍流增強(qiáng)/（%）風(fēng)速降低/（%）湍流增強(qiáng)/（%）43625147513241511540.51114512-0.332.52.51.30.75--0.2522.510.50--尾流區(qū)高度1.5H2.0H3.0H注：B為建筑物寬度，H為建筑物高度建筑物形狀對(duì)下游風(fēng)特性的影響建筑物對(duì)風(fēng)特性的影響101地形地貌對(duì)風(fēng)的影響1)地面建筑物建筑物形狀B/H下游距離52)地形地形對(duì)風(fēng)速分布的影響更大。山丘、山谷、盆地等不僅會(huì)改變風(fēng)的速度分布，還會(huì)使風(fēng)向產(chǎn)生較大的變化。不同地形平地平均風(fēng)速/（m/s）3~56~8山間盆地0.95~0.850.85~0.70彎曲河谷0.80~0.700.70~0.60山脊背風(fēng)坡0.90~0.800.80~0.70山脊迎風(fēng)坡1.20~1.101.10峽谷口或山口1.40~1.301.20不同地形與平坦地面風(fēng)速比值1022)地形不同地形平地平均風(fēng)速/（m/s）3~56~8山間盆地3)海上風(fēng)特性

海上年平均風(fēng)速的威布爾分布形狀系數(shù)比陸地大，平均風(fēng)速隨高度的變化比較平緩，湍流強(qiáng)度相對(duì)較低，風(fēng)向也比較穩(wěn)定。

海面對(duì)平均風(fēng)速概率分布曲線(xiàn)的影響海面對(duì)風(fēng)速廓線(xiàn)的影響1033)海上風(fēng)特性海面對(duì)平均風(fēng)速概率分布曲線(xiàn)的影響海面對(duì)風(fēng)速廓基本要求：風(fēng)資源測(cè)量時(shí)，通常按照下表所列項(xiàng)目進(jìn)行。所有參數(shù)應(yīng)每1s或2s采樣一次，計(jì)算平均值時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔為10min。測(cè)量風(fēng)速時(shí)要在多個(gè)高度測(cè)量，以確定風(fēng)的切變特性。測(cè)風(fēng)時(shí)間應(yīng)至少連續(xù)一年以上，2.2風(fēng)的測(cè)量與估計(jì)項(xiàng)目測(cè)量參數(shù)記錄值基本參數(shù)風(fēng)速/(m/s)平均值，標(biāo)準(zhǔn)偏差，最大/最小值風(fēng)向/(°)平均值，標(biāo)準(zhǔn)偏差氣溫/°C平均值，最大/最小值可選參數(shù)太陽(yáng)輻射/(W/m2)平均值，最大/最小值垂直風(fēng)速/(m/s)平均值，標(biāo)準(zhǔn)偏差大氣壓/hPa平均值，最大/最小值溫度變化/°C平均值，最大/最小值104基本要求：風(fēng)資源測(cè)量時(shí)，通常按照下表所列項(xiàng)目進(jìn)行。所有參數(shù)應(yīng)風(fēng)向測(cè)量

風(fēng)向標(biāo)：尾翼、指向針、平衡錘及旋轉(zhuǎn)軸風(fēng)向信號(hào)產(chǎn)生：環(huán)形電位計(jì)、碼盤(pán)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上的風(fēng)向標(biāo)105風(fēng)向測(cè)量風(fēng)向標(biāo)：尾翼、指向針、平衡錘及旋轉(zhuǎn)軸大型風(fēng)力發(fā)風(fēng)速測(cè)量

旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計(jì)

1.風(fēng)杯

2.螺旋槳葉風(fēng)杯螺旋槳式a數(shù)值即為起動(dòng)風(fēng)速;N是風(fēng)速計(jì)轉(zhuǎn)速;通常c?b(c≈b×10-4)106風(fēng)速測(cè)量旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計(jì)風(fēng)杯螺旋槳式a數(shù)值即為起動(dòng)風(fēng)速;N107風(fēng)能資源大小常用風(fēng)能密度來(lái)表示。風(fēng)能密度是指垂直于風(fēng)向，單位面積上，單位時(shí)間流過(guò)的空氣的動(dòng)能（功率密度），計(jì)算公式為：平均風(fēng)能密度)風(fēng)能估計(jì)35風(fēng)能資源大小常用風(fēng)能密度來(lái)表示。風(fēng)能估計(jì)平均功率密度的數(shù)學(xué)期望(均值)風(fēng)能估計(jì)有：

令

結(jié)論：風(fēng)能密度仍然符和威布爾分布。估計(jì)平均風(fēng)能密度，就變成了對(duì)參數(shù)c，k的估計(jì)。K——形狀系數(shù)，C——尺度系數(shù)108平均功率密度的數(shù)學(xué)期望(均值)風(fēng)能估計(jì)有：令結(jié)論：風(fēng)能1）平均風(fēng)速：年平均風(fēng)速（30年，至少10年每小時(shí)或每10分鐘平均風(fēng)速數(shù)據(jù)）風(fēng)：指空氣相對(duì)于地球表面的運(yùn)動(dòng)，是由于大氣中熱力和動(dòng)力的空間不均勻性所形成的。下圖分別給出了縱向湍流強(qiáng)度隨高度和地表粗糙度長(zhǎng)度變化的曲線(xiàn)。3平均風(fēng)速隨時(shí)間變化規(guī)律設(shè)定風(fēng)速低：風(fēng)速低時(shí)產(chǎn)生功率小，風(fēng)速高時(shí)發(fā)生失速，效率偏低為有效范圍內(nèi)的概率分布函數(shù)1）轉(zhuǎn)速設(shè)定對(duì)輸出功率的影響（恒速風(fēng)機(jī)）1）轉(zhuǎn)速設(shè)定對(duì)輸出功率的影響（恒速風(fēng)機(jī)）風(fēng)向信號(hào)產(chǎn)生：環(huán)形電位計(jì)、碼盤(pán)有葉的小樹(shù)搖擺，內(nèi)陸的水面有小波所有參數(shù)應(yīng)每1s或2s采樣一次，計(jì)算平均值時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔為10min。，通常為10%～15%；3）槳盤(pán)上沒(méi)有摩擦力；這里僅介紹其風(fēng)速、湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)系數(shù)。建筑物有小損（煙囪頂部及平屋搖動(dòng)）縱向湍流強(qiáng)度隨地面粗糙長(zhǎng)度的變化曲線(xiàn)風(fēng)速和風(fēng)向時(shí)間歷程曲線(xiàn)風(fēng)：指空氣相對(duì)于地球表面的運(yùn)動(dòng)，是由于大氣中熱力和動(dòng)力的空間不均勻性所形成的。若重現(xiàn)期為N，則超過(guò)設(shè)計(jì)最大風(fēng)速的概率為設(shè)定風(fēng)速低：風(fēng)速低時(shí)產(chǎn)生功率小，風(fēng)速高時(shí)發(fā)生失速，效率偏低最小二乘法估計(jì)

風(fēng)能估計(jì)（c和k的估計(jì)）

取對(duì)數(shù)：

令b=K，則：K=b得到的風(fēng)速出現(xiàn)范圍劃成n個(gè)風(fēng)速區(qū)間,統(tǒng)計(jì)各風(fēng)速間隔出現(xiàn)的頻率f1…fn,計(jì)算累計(jì)頻率P1=f1,P2=P1+f2…

109取1）平均風(fēng)速：年平均風(fēng)速（30年，至少10年每小時(shí)或每10平均風(fēng)速和標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)風(fēng)能估計(jì)（c和k的估計(jì)）

通常用如下近似關(guān)系式求解K在應(yīng)用中，我們用平均風(fēng)速來(lái)估計(jì)和→110平均風(fēng)速和標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)風(fēng)能估計(jì)（c和k的估計(jì)）通常用如平均風(fēng)速和最大風(fēng)速估計(jì)風(fēng)能估計(jì)（c和k的估計(jì)）

由有為在時(shí)間段T內(nèi)觀(guān)測(cè)到的10min平均最大風(fēng)速，它出現(xiàn)的概率為K值通常在1.0～2.6之間，此時(shí)因此:111平均風(fēng)速和最大風(fēng)速估計(jì)風(fēng)能估計(jì)（c和k的估計(jì)）由有為年均有效風(fēng)能估計(jì)

風(fēng)能估計(jì)年平均有效風(fēng)能是指一年中在有效風(fēng)速范圍內(nèi)的風(fēng)能的平均密度，可用下式計(jì)算有效風(fēng)速范圍(目前通常為3m/s～25m/s),為有效范圍內(nèi)的概率分布函數(shù)

(在應(yīng)用中，可以用數(shù)值積分的辦法得到)112年均有效風(fēng)能估計(jì)風(fēng)能估計(jì)年平均有效風(fēng)能是指一年中在有效風(fēng)速指標(biāo)豐富區(qū)較豐富區(qū)可利用區(qū)貧乏區(qū)年有效風(fēng)能密度W／㎡﹥200200～150150～100﹤100風(fēng)速≧3m／s年累計(jì)時(shí)數(shù)h﹥50005000～40004000～2000﹤2000風(fēng)速≧6m／s年累計(jì)時(shí)數(shù)h﹥20002200～15001500～350﹤350占全國(guó)面積百分比8185024高度10m30m50m風(fēng)功率密度等級(jí)風(fēng)功率密度(w／㎡)平均風(fēng)速參考值(m／s)風(fēng)功率密度(w／㎡）平均風(fēng)速參考值(m／s)風(fēng)功率密度(w／㎡）平均風(fēng)速參考值(m／s)應(yīng)用1﹤1004．4﹤1605．1﹤2005．62100~1505．1160~2405．9200~3006．43150~2005．6240~3206．5300~4007．0較好4200~2506．0320~4007．0400~5007．5好5250~3006．4400~4807．4500~6008．0很好6300~4007．0480~6408．2600~8008．87400~10009．4640~160011．0800~200011．9國(guó)際上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源等級(jí)劃分

1132.3風(fēng)能資源評(píng)估及風(fēng)電場(chǎng)選址概述

風(fēng)能資源四類(lèi)區(qū)域指標(biāo)豐富區(qū)較豐富區(qū)可利用區(qū)貧乏區(qū)年有效風(fēng)能密度W／㎡﹥200風(fēng)能資源評(píng)估

目的：預(yù)測(cè)風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能的潛力主要評(píng)估參數(shù)：

1）平均風(fēng)速：年平均風(fēng)速（30年，至少10年每小時(shí)或每10分鐘平均風(fēng)速數(shù)據(jù)

）

2）主要風(fēng)向分布:依據(jù)多年統(tǒng)計(jì)資料和至少最近一年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

3）風(fēng)功率密度：由風(fēng)速和空氣密度得到

4）年風(fēng)能可利用時(shí)間：一年中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在有效風(fēng)速范圍內(nèi)的運(yùn)行時(shí)間（一般有效風(fēng)速范圍取3～25m/s）114風(fēng)能資源評(píng)估目的：預(yù)測(cè)風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能的潛力421）宏觀(guān)選址：風(fēng)能質(zhì)量好風(fēng)向基本穩(wěn)定風(fēng)速變化小盡量避開(kāi)災(zāi)難性天氣頻發(fā)地區(qū)發(fā)電機(jī)組高度范圍內(nèi)風(fēng)速的垂直變化?。ù怪鼻凶冃。┑匦螚l件好——地形盡可能單一地質(zhì)情況能滿(mǎn)足塔架基礎(chǔ)、房屋建筑施工的要求，遠(yuǎn)離強(qiáng)地震帶等對(duì)環(huán)境不利影響小盡可能接近電網(wǎng)并考慮并網(wǎng)可能產(chǎn)生的影響交通方便風(fēng)能資源分析軟件：WASP(WindAtlasAnalysisandAplicationgPrograms)風(fēng)電場(chǎng)選址1151）宏觀(guān)選址：風(fēng)電場(chǎng)選址432）微觀(guān)選址：考慮地形的影響 平坦地形：考慮地面障礙物 復(fù)雜地形：在山丘和谷地，要考慮谷地方向與主要盛行風(fēng)向的關(guān)系考慮機(jī)組的排列方式 對(duì)于平坦地形，盛行主風(fēng)向?yàn)橐粋€(gè)或相反的兩個(gè)方向時(shí)，一般按矩陣式排列；多盛行風(fēng)向，一般采用田字型或園型排布，發(fā)電機(jī)組間距通常取10～12倍風(fēng)輪直徑。風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件：WindFarmer(WindFarmerDesignandOptimigzationSoftware)風(fēng)電場(chǎng)選址1162）微觀(guān)選址：風(fēng)電場(chǎng)選址44

--相對(duì)厚度，

--最大厚度，即弦長(zhǎng)法線(xiàn)方向之翼型最大厚度；A點(diǎn)--前緣點(diǎn)；B點(diǎn)--后緣點(diǎn)，A、B點(diǎn)相距最遠(yuǎn)；

--弦長(zhǎng)，是兩端點(diǎn)A、B連線(xiàn)方向上翼形的最大長(zhǎng)度；1、槳葉翼型參數(shù)2.4風(fēng)能轉(zhuǎn)換基本原理

，通常為10%～15%；

--槳距角，是風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面與弦線(xiàn)間的夾角；

--攻角，是來(lái)流速度方向與弦線(xiàn)間的夾角；--相對(duì)厚度，--最大厚度，即弦長(zhǎng)法線(xiàn)方向之2、槳葉上的氣動(dòng)力空氣動(dòng)力的一個(gè)分力與氣流方向垂直，它使平板上升，稱(chēng)為升力；另一個(gè)分力與氣流方向相同，稱(chēng)為阻力。升力系數(shù)與阻力系數(shù)之比稱(chēng)為升阻比

--總的氣動(dòng)力系數(shù)，無(wú)量綱；

--升力系數(shù)，無(wú)量綱；

--阻力系數(shù)，無(wú)量綱。2、槳葉上的氣動(dòng)力空氣動(dòng)力的一個(gè)分力與氣流方平地平均風(fēng)速/（m/s）--最大厚度，即弦長(zhǎng)法線(xiàn)方向之翼型最大厚度；風(fēng)速≧3m／s年累計(jì)時(shí)數(shù)h表面粗糙度和雷諾數(shù)的影響1、風(fēng)輪動(dòng)量理論(貝茲極限理論)得到的風(fēng)速出現(xiàn)范圍劃成n個(gè)風(fēng)速區(qū)間,統(tǒng)計(jì)各風(fēng)速間隔出現(xiàn)的頻率f1…fn,計(jì)算累計(jì)頻率P1=f1,P2=P1+f2…--升力系數(shù)，無(wú)量綱；風(fēng)能估計(jì)（c和k的估計(jì)）小尺度：空間數(shù)米到數(shù)千米，時(shí)間數(shù)秒到數(shù)天。在工程中，我們主要考慮縱向湍流強(qiáng)度εu2平均風(fēng)速隨高度變化規(guī)律1)中心渦，集中在轉(zhuǎn)軸上；設(shè)定風(fēng)速低：風(fēng)速低時(shí)產(chǎn)生功率小，風(fēng)速高時(shí)發(fā)生失速，效率偏低平均值，標(biāo)準(zhǔn)偏差，最大/最小值實(shí)度對(duì)風(fēng)力機(jī)特性的影響中尺度：空間數(shù)千米到數(shù)百千米，時(shí)間數(shù)分鐘到一周。定義風(fēng)輪軸功率系數(shù)（又稱(chēng)風(fēng)能利用系數(shù)）風(fēng)向標(biāo)：尾翼、指向針、平衡錘及旋轉(zhuǎn)軸為在時(shí)間段T內(nèi)觀(guān)測(cè)到的10min平均最大風(fēng)速，它出現(xiàn)的概率為平地平均風(fēng)速/（m/s）3、影響升力系數(shù)和阻力系數(shù)的因素

攻角的影響翼型的影響(彎度、厚度及前緣)表面粗糙度和雷諾數(shù)的影響平地平均風(fēng)速/（m/s）3、影響升力系數(shù)和阻力系數(shù)的因素攻風(fēng)能轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)理論

1、風(fēng)輪動(dòng)量理論(貝茲極限理論)理想假設(shè)(不考慮風(fēng)輪尾流的旋轉(zhuǎn))

1）氣流是不可壓縮的均勻定常流；2）風(fēng)輪簡(jiǎn)化成一個(gè)漿盤(pán)；3）槳盤(pán)上沒(méi)有摩擦力；4）風(fēng)輪流動(dòng)模型簡(jiǎn)化成一個(gè)單元流管；5）風(fēng)輪前后遠(yuǎn)方的氣流靜壓相等；6）軸向力（推力）沿漿盤(pán)均勻分布。風(fēng)輪流動(dòng)的單元流管模型

單位時(shí)間內(nèi)氣流流過(guò)截面積為S的氣體所具有的動(dòng)能為

風(fēng)能轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)理論1、風(fēng)輪動(dòng)量理論(貝茲極限理論)理想2、風(fēng)輪動(dòng)量理論(貝茲極限理論)由動(dòng)量方程得到作用在風(fēng)輪上的軸向力F為：

風(fēng)輪（3）（2）（1）（3）（1）（1）S1V1S

VS2V2根據(jù)右圖：由伯努利方程可得

：假設(shè)風(fēng)輪遠(yuǎn)方的氣流靜壓相等，即得:

2、風(fēng)輪動(dòng)量理論(貝茲極限理論)由動(dòng)量方程得到作用在風(fēng)輪由：

風(fēng)輪（3）（2）（1）（3）（1）（1）S1V1S

VS2V2這表明流過(guò)風(fēng)輪的速度是風(fēng)輪前來(lái)流風(fēng)速和風(fēng)輪后尾流速度的平均值。根據(jù)能量方程有：由：風(fēng)輪（3）（2）（1）（3）（1）（1）S1V1S當(dāng)：

此值稱(chēng)之為貝茲（Betz）極限，它表示在理想情況下，風(fēng)輪最多能吸收59.3％的風(fēng)的動(dòng)能，也就是說(shuō)其理論最大效率值為0.593，說(shuō)明風(fēng)輪從自然風(fēng)中所能索取的能量是有限的。時(shí)，則P出現(xiàn)極值，求解后得

定義風(fēng)輪軸功率系數(shù)（又稱(chēng)風(fēng)能利用系數(shù)）當(dāng)：此值稱(chēng)之為貝茲（Betz）極限，它表示在理想情況下，2、風(fēng)輪葉素理論葉素：將風(fēng)輪葉片沿展向分成若干個(gè)微元，這些微元稱(chēng)為葉素。

基本思想：通過(guò)對(duì)葉素的受力分析求得作用在每個(gè)葉素上的力和轉(zhuǎn)矩，再將所有微元轉(zhuǎn)矩和力相加得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳葉上的力和轉(zhuǎn)矩。2、風(fēng)輪葉素理論葉素：將風(fēng)輪葉片沿展向分成若干個(gè)微元，這葉素受力分析

氣流相對(duì)于葉片的相對(duì)速度為：

由受力分析圖可知:

I--傾角，為槳距角