风形成与风能概述
Summary of Wind Energy

是由空气流动引起的一种自然现象,空气流动的主要原因是气压差别引起的,空气由气压较高的地方流向气压较低的地方。空气压力随高度而减小,在不考虑其他影响时,不同地点在同一高度的气压是相同的,空气不会流动,因为空气的流动是循环的,流走的空气必须由其他空气来补充。如果两地点同高度的气压不同,则会引起空气的流动。

太阳辐射热是造成空气压力变化的主要原因,例如地球上各纬度所接受的太阳辐射强度不同,在赤道和低纬度地区,太阳辐射强度强,地面和大气接受的热量多、温度较高;高纬度地区地面和大气接受的热量小,温度低。这种高纬度与低纬度之间的温度差异,北方地面气压要高于南方地面气压,南北之间的气压梯度,驱使空气作水平运动。

因太阳辐射热直接产生的典型风类有海陆风山谷风季风等,再加上其他地理因素就形成信风台风等类型的风。实际上的风可能由多种因素造成的,也就是说是以某种为主的两种或多种风组成,在本栏目将对几种典型风类进行介绍。

风的主要参数是风速与风向。

风速

我们平常说微风、小风、大风、暴风就代表不同的风速,风速是指空气在单位时间内流动的水平距离,风速常用单位是m/s、km/h、knot(海里/小时,又称“节”,)表示,其换算关系如下

1m/s=3.6km/h                        1knot=1.852km/h

1km/h=0.278m/s                    1knot=0.514m/s

在工程与科学领域是需要准确的数值,但平常只把风速进行简单的分级,国际上通用的风力等级是英国人蒲福1805年拟定的蒲氏风力分级表,是根据风对地上物体所引起的现象将风的大小分为13个等级(0—12级),其风速值是平地上离地10米处的风速。1946年以后,又在原表基础上,作了扩充,增加到18个等级(0—17级),见下表。

蒲氏风力分级表

蒲氏风力分级表

在给定时间段内风速的平均值称为平均风速。例如小时平均风速、日平均风速、月平均风速、年平均风速。

风向

风向是指风吹来的方向,例如北风就是指空气自北向南流动。风向一般用8个方位表示,分别为:北、东北、东、东南、南、西南、西、西北。

下图是风的方向图,有16个方位,标注有各方向的中英文名称与角度。

风向的方位图

图1--风向的方位图

风速与风向可通过专用的传感器进行测量,在大型风力机上都安装有风速传感器与风向传感器,根据风速与风向的数据对风力机进行控制,使风力机工作在最佳状态。

脉动风(湍流)

事实上风速风向从来就是不稳定的,在靠近地面尤其不稳定,而且变化是随机的。把风速频繁变化的风称为脉动风,也就是湍流。地面的山体,建筑等会阻碍气流的运动,使风速风向发生变化,甚至产生漩涡,地面的城市建筑、森林的摩擦阻碍低空气流运动,这就造成了湍流;水平气流与局部上升的热空气相遇也会引起湍流;在风电场内,众多的风力机的尾流也会引起湍流。

空间某点的脉动风速指某时刻该点上的瞬时风速与平均风速的差值,一般取10分钟的风速平均值为平均风速。脉动风对风力机运行影响较大,特别是风速变化时间短的脉动风,所以风电场要建在脉动风较小的地区。

风能

在太阳辐射作用下,空气沿着水平方向运动,空气流动所形成的动能就是风能。风能是太阳能的一种转化形式,是可再生能源中最具开发前景的一种能源。

风能主要主要用于发电,一个地区是否适合建风电场就要做风能资源评估,评估主要依据是该地区的风功率密度。风功率密度是单位时间内气流通过单位垂直投影截面积的风能。图2中截面积S为1平方米,气流方向与截面垂直,通过S的风能就是风功率密度。

风功率测量

图2—风功率测量

风功率密度不能直接测量到,是通过测量得到的风速值来计算。

风速的测量要在评估区域建测风塔,对于地形较为平坦的风场,可选择一处安装测风塔,对于地形较为复杂的风场,应选择二处及以上安装测风塔;测风塔高度应不低于拟安装风力发电机组轮毂中心高度,通常采用高度为50m,70m,100m,120m,在上面安装风速传感器与风向风向传感器。通过风速值来计算风功率密度,基本算式如下:

空气密度要根据当地的海拔高度、温度等来计算(请另找参考资料)。上面的计算是依据当时的风速,作为风资源评估要用平均风功率密度,即气流在给定时间内通过单位垂直截面积上的平均风能。

这样可计算出日平均风功率密度、月平均风功率密度、年平均风功率密度。对于风能资源评估主要依据年平均风功率密度

风电场依靠风力发电,要有足够的风速,风电场要求年平均风速大于6m/s,年平均风功率密度不低于每平方米150W。有关风力机的风速问题可参见“垂直轴风力机园地”中“风能与风功率”与“风轮尺寸与额定风速”章节。

图3是来自网络的陆上测风塔照片。

陆上测风塔

图3—陆上测风塔

图4是来自网络的海上测风塔照片。

海上测风塔

图4—海上测风塔

近些年测风激光雷达已在风能资源评估中得到应用,测风激光雷达放在地面就可测量数十米至数千米高的风向与风速,很是方便,目前由于价格昂贵还未能普及,有关介绍见多普勒测风激光雷达课件。
 
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