风资源评估基础知识

2011年 2011 年11 11月 月10 10日 日

一、风的形成 成 二、风资源评估基础知识 评 三、风能利用

太阳辐射造成地球表明受热不均，引 起大气层压力分布不均，压力的分布不均， 导致大气的相对运动，从而产生的风。 大气的运动主要有大气环流和局地环 流两种。

地球是一个倾斜的椭球体，因为其形状特征，导 致地球上各个地区受热程度不同；加上地球自转产生 的科氏力作用，从而形成了大气环流。

地球上分布着大陆和海洋，海洋水体比热大，升温慢 ，降温也慢；陆地比热小，升温快，降温也快；使白天同 纬度地带上陆地温度高于海洋，陆地气压低于海洋，风由 海洋吹向陆地，晚上则相反，这就形成了以昼夜为周期改 变盛行风向的海陆风。 变盛行风向的海陆风 地球是一个倾斜的椭球体，在一个椭圆轨道上围绕太 阳公转，太阳到地球的直射点发生周期性变化，同一地点 在不同时间段受热不一致，形成了夏季和冬季，夏季时陆 地 度高 海洋 地温度高于海洋，风由海洋吹向陆地。通常北半球陆地最 海洋吹向陆地 通常北半球陆地最 高温出现在7月份，海洋的最高温出现在8月份。 陆地和大气的比热也不一样，加上热胀冷缩和重力效 应，产生了所谓的山谷风---白天风由山谷沿山坡向上吹 ，夜间风由山顶沿山坡向下吹。

1.平均风速 2.风廓线 3.年平均风速分布 4.湍流 5.极端风速 6.风向、风能玫瑰图 7.风功率密度 8.风能密度

大气随时间和空间是随机变化的，对于风电 行业来说我们关注的是大气沿水平方向的运动。 风速（水平风速）：单位时间内空气在水平 方向上移动的距离。 平均风速---一定时间段内风速变化的平均 值，其计算公式为 ： 变化的平均值。 年平均风速Vave-----以年为时间单位的风速
1 V= t 2 ? t1
∫
t2
t1
V ( t )dt

因为气体的粘性及地表粗糙度的不同，风速沿高 度方向是变化的，其变化符合一定的规律。 度方向是变化的 其变化符合 定的规律 目前常用的有对数律分布和指数律分布两种，IEC 61400采用的是指数律分布。
指数律分布 指数律分布：
V (Z ) Z = ( )α V (Z r ) Zr
对数律分布 对数律分布：
V(Z) ln(Z / Z0 ) = V(Zr ) ln( l (Zr / Z0 )
V(Z) Z Zr α
Z高度处风速 距地面高度 参考高度 风切变指数
V(Z) Z Zr Zo
Z高度处风速 距地面高度 参考高度 地表面粗糙长度

年平均风速分布：一年内不同风速累积小时 数。（一种统计分析方法） 表征年平均风速分布的有威布尔分布曲线、 瑞利分布曲线和概率密度曲线等方式。 k 威布尔分布： PW (V ) = 1 ? exp[?(V / C) ] 式中： k－形状参数（shape parameter） C－尺度参数(scale parameter)

PR (V ) =1? exp[ ?π (V / 2Vave) ] 瑞利分布： 瑞利分布 （瑞利分布是威布尔分布的取k=2的一个特例） k V k ?1 概率密度曲线： p (V ) = ( ) exp[?(V / C ) k ]
2
W
C C
年平均风速分布一般都可以很好的拟合成一 个威布尔分布，但也有与威布尔分布拟合不好的 现象，这时我们就需要用概率密度曲线来进行拟 合。

风速的威布尔分布及瑞利分布拟合

湍流：是短时间（风资源评估中一般取10分钟） 内的风速波动。 湍流强度 湍流强度： 式中： I = σ /V σ 风速相对于10min平均风速的标准方差 σ－风速相对于10min平均风速的标准方差 V－10min平均风速 湍流产生原因主要有两个： 当 气流动时 由于 形 异 例如 峰 成 1.当空气流动时，由于地形差异（例如山峰）造成 的与地表的“摩擦”； 2 由于空气密度差异和气温变化的热效应导致空气 2.由于空气密度差异和气温变化的热效应导致空气 气团垂直运动。

极端风速---较长时间内给定取样时间 下风速的最大值。 风电行业表征极端风速的方式有最大 风速和极大风速两种。 最大风速---给定时段内的10分钟平均 风速的最大值。 极大风速---给定时段内的瞬时（一般 取3s均值）风速的最大值。 风电行业最关心的时间段为50年，即 通常所说的50年一遇。

50年一遇极端风速是基于历史统计数据 得出的一个统计数值，这其中引入了概率的 概念。50年一遇是指可能发生，并不是一定 会发生，当然也并不是一定不会发生。 例如： 设计等级为IEC III类的机组，就是在50 年内，50年（N）一遇极端风速（3s平均值） 超出52.5m/s的概率是0.02(1/N)。

风向玫瑰图---在极坐标图上绘出给定地在 一年中各种风向出现的频率。因图形与玫瑰花朵 相似，故名取名玫瑰图。 风能玫瑰图---在极坐标图上绘出给定地在 一年中各方向风能值的统计图。 风向玫瑰图和风能玫瑰图在我们后期微观选 址中是非常有用的。

Wind Frequency Rose
0 337 5 337.5 22 5 22.5 0% calm
Total Wind Energy (70 m)
0 337 5 337.5 22 5 22.5
315
45
315
45
292.5
67.5
292.5
67.5
270
90
270
90
8% 247.5 112.5
8% 247.5 112 5 112.5
16%
16%
225 135
225
135
202.5 180
24% 157.5
202.5 180
24% 157.5
风向玫瑰图
风能玫瑰图

1.风能得特点及风机的工作原理 2.风功率密度 3 风能密度 3.风能密度

煤炭、石油和天然气等非可再生能源的正不 断减少 人们寻找可替代的可再 能源 断减少，人们寻找可替代的可再生能源。 风能是太阳能的一种转化形式，是无污染的 可再生能源 它分布广泛 可再生能源，它分布广泛。 风机是将风能转化成机械能进而转化成电能 的一种装置。 风机工作原理 风机工作原理---风机通过叶轮从风中吸取 风机通过叶轮从风中吸取 能量，将风能转化成动能，再通过发电机将动能 转化成电能。 转化成电能

风功率密度：与风向垂直的单位面积中风所 具有的功率。
D WP
式中： Dwp——平均风功率密度； n ——在设定时段内的记录数； ρ ——空气密度； νi——第i次记录的风速值。
1 n 3 = ( ρ )(vi ) ∑ 2n i =1