風電基礎知識

風電基礎知識

1目錄風電行業(yè)特點及其相關核心知識概述風資源知識風區(qū)分類－IEC、GL標準空氣動力學風機分類風機基本控制概念風機設計及其模擬軟件Bladed介紹目錄風電行業(yè)特點及其相關核心知識概述2能源增長歷史能源增長歷史3能源利用歷史能源利用歷史4化石與核能的使用只是人類歷史長河的一瞬間化石與核能的使用只是人類歷史長河的一瞬間5石油年生產石油年生產6能源強度（總耗能/國家生產總值GNP）能源強度（總耗能/國家生產總值GNP）7風電行業(yè)特點及其相關核心知識概述我國一次商品能源消費結構世界一次商品能源消費結構能源消費的國際比較—消費結構風電行業(yè)特點及其相關核心知識概述我國一次商品能源消費結構世界8能源資源的特點和國際比較探明總資源量8230億噸標準煤，探明剩余可采總儲量1390億噸標準煤剩余可采儲量的保證程度煤炭81年、石油15年、天然氣30年,鈾50年。以煤為主，缺乏石油、天然氣資源，水能較豐富人均能源資源量低于世界平均水平單位：年能源資源的特點和國際比較探明總資源量8230億噸標準煤，探明9能源價格對比根據(jù)國內風電成本測算得到的包括財務成本在內的風電平均成本為0.551元/(kWh)，在使用期的總成本費用已經接近新投資的水電和火電。能源價格對比根據(jù)國內風電成本測算得到的包括財務成本在內的風電102006年電力裝機及發(fā)電量比例2006年電力裝機及發(fā)電量比例11單位GDP能耗為了保護環(huán)境，我國政府已經出臺了降耗規(guī)劃：“十一五”期間，全國單位國內生產總值能源消耗指標從2005年的1.22噸標煤/萬元下降到2010年的0.98噸標煤/萬元，降幅近20%。單位GDP能耗為了保護環(huán)境，我國政府已經出臺了降耗規(guī)劃：“十12為什么要發(fā)展風力發(fā)電？

（1）化石能源有限，發(fā)展風電有利于提高中國能源供應的安全性（2）風能儲量大、廣泛，發(fā)展風電是解決中國能源供應不足的有效途徑（3）風電清潔，發(fā)展風電是減排溫室氣體排放的有效途徑.(京都議定書簽訂后，CDM機制）（4）發(fā)展風電可以促進地區(qū)經濟發(fā)展，并拉動機電制造業(yè)發(fā)展及解決就業(yè)。（如：丹麥）但到目前為止，風電市場仍然是政策主導的市場2003年5月27日，歐洲風能協(xié)會和綠色和平組織的環(huán)境組在布魯塞爾發(fā)布一項報告《風力12》，這個戰(zhàn)略性藍圖勾畫出目前價值70億歐元的風能工業(yè)如何能在2020年增值為750億歐元。到2020年，風力發(fā)電將在全球電力市場中占12%。全世界風力發(fā)電裝機容量將達到12.31億千瓦（123100萬千瓦），創(chuàng)造1.79億個就業(yè)機會，使發(fā)電成本降低40%，并累計減排二氧化碳1092.1萬噸。長達52頁的《風力12》研究報告詳細論證了如何實現(xiàn)風力發(fā)電的美好前景。為什么要發(fā)展風力發(fā)電？（1）化石能源有限，發(fā)展風電有利于提13中國風能資源豐富國家氣象局依據(jù)分布在中國各地10米高氣象測風儀數(shù)據(jù)統(tǒng)計：－陸地約有2.53億千瓦年電量5000億千瓦時海上初步估計可開發(fā)約7.5億千瓦合計約10億千瓦（2004年全國電力總裝機4.4億千瓦）其中內蒙和新疆占中國風資源的約70－80％中國風能資源豐富國家氣象局依據(jù)分布在中國各地114中國風資源分布中國風資源分布15與核電和大水電發(fā)展的比較全世界核電和大水電都是在較短時期內占到較大比例的能源技術。核電從1960年的100萬kW開始，到1997年累積裝機3.43億kW，電量占16%。大水電從1950年的4500萬kW增長到1996年的7.15億kW，電量占19%。風電現(xiàn)在已經是商業(yè)化的產業(yè)，有能力成為主流電源之一。歐洲是世界上風力發(fā)電領先的地區(qū)，根據(jù)歐洲統(tǒng)計局的資料，目前，風力發(fā)電的發(fā)電量已占到了歐洲總發(fā)電量的3%以上，其中，丹麥風電發(fā)電量占該國發(fā)電量的23%，德國和西班牙為13%和12%。在歐洲，風電已經成為一種重要的能源。與核電和大水電發(fā)展的比較全世界核電和大水電都是在較短時期內占16風電項目箱式變電（升壓）變電站超高壓輸電風機（降壓）變電站用戶不包含升壓變電站的項目包含升壓站的項目風電項目箱式變電（升壓）變電站超高壓輸電風機（降壓）變電站用17海上變速風機的并網Principallayoutofoffshorewindturbines,theircollectionandtransmission(C&T)systemsforinterconnectiontomains,i.e.,forfungiblepowertotheACnetworkandtrading海上變速風機的并網Principallayoutofo18近海風電技術：風力發(fā)電機組－Vestas3MW2005年KentishFlat海上風電場安裝30臺vestas3MW機組，該機組額定功率3MW，機艙（包括輪轂）重量111T。近海風電技術：風力發(fā)電機組－Vestas3MW2005年K19風能系統(tǒng)經濟性模型風能經濟性發(fā)電成本風資源及規(guī)律能源效率可利用率壽命直接投資成本融資成本運行維護費風能的市場價值基本價值燃料節(jié)省資本節(jié)省貨幣化的環(huán)境收益排放減少化學燃料使用的減少風能系統(tǒng)經濟性模型風能經濟性發(fā)電成本風資源及規(guī)律風能的市場20風電系統(tǒng)發(fā)電的度電成本模型（不考慮環(huán)境效益）部件成本組裝成本運輸成本風機生產成本利潤風機購買價格初始資本成本(ICC)風場配套設施部件失敗率風場人力耗材平均維修時間備件預定時間備件成本年運行維護成本(AOM)可利用率風頻分布功率曲線驅動鏈效率上網損失年發(fā)電量(AEP)固定費率(FCR)度電成本(COE)COE=(FCR*ICC+AOM)/AEP基于20年。風電系統(tǒng)發(fā)電的度電成本模型（不考慮環(huán)境效益）部件成本組裝成21風電的經濟性國產風電機組（600kW-750kW）: 4300元-4500元/kW國產風電機組（1200kW）: 5700元/kW進口風電機組（850kW-900kW）: 500歐元-540歐元/kW （折合5000元-5400元/kW）進口風電機組（1000kW-1500kW）: 620歐元-700歐元/kW

（折合6200元-7000元/kW）風電場建設項目總投資分析目前風力發(fā)電機組價格水平風電項目投資:7000元/KW–10000元/KW風電的經濟性風電場建設項目總投資分析目前風力發(fā)電機組價格水平22中國風電場建設項目上網電價對比

元/kW?h風電場建設項目上網電價分析目前的風電成本可控制在0.6元/度以下中國風電場建設項目上網電價對比元/kW?h風電場建設項23風機經濟技術發(fā)展目標國家規(guī)劃到2020年，中國風電裝機達3000萬千瓦，占預測總裝機10億千瓦的3％風電成本接近常規(guī)能源，2020年目標價格0.25元/度,10米高5.8米/秒（美國3美分/度，歐洲，2.34歐分/度）。風機單位千瓦價格：國內4500－5000元/千瓦2002年，歐洲先進的風電機組在最佳情況下運行的每千瓦裝機成本約為823歐元，每度電的成本為4.04歐分；預計到2020年，裝機成本會降到每千瓦497歐元，每度電的成本為2.34歐分。0246810121990Lowwindspeedsites199520002005201020152020Highwind

speedsitesBulkPowerCompetitivePriceBand目前的風電成本可控制在0.6元/度以下。風機經濟技術發(fā)展目標國家規(guī)劃到2020年，中國風電裝機達3024風電項目成本構成在中國，風電項目的固定資產投資構成比例風電項目成本構成在中國，風電項目的固定資產投資構成比例25風電項目成本構成舉例：英國5MW岸上項目成本構成風電項目成本構成舉例：英國5MW岸上項目成本構成26風機成本構成風機成本構成27風機機艙成本構成英國風機機艙成本構成英國28風電項目中風機故障構成英國的統(tǒng)計風電項目中風機故障構成英國的統(tǒng)計29風機制造行業(yè)特點原材料密集（體積大，重量重）資本密集技術密集知識密集研發(fā)周期長設計周期長試制生產周期長產品測試、認證周期長市場：目前還是政策主導風機制造行業(yè)特點原材料密集（體積大，重量重）30企業(yè)核心競爭力目標

野心越大，度量越大，越能包容人才。流程

做事的程序。

如：產品設計流程、制造流程、工藝流程，軟件的程序等。模型

如：結構化的定性模型，功能模型（如組織機構），還有經驗模型，估算模型（如：風湍流模型，風機成本模型），精確定量的數(shù)學模型。數(shù)據(jù)庫

如：風資源數(shù)據(jù)庫，產品數(shù)據(jù)庫（PDM），知識庫，等企業(yè)核心競爭力目標

野心越大，度量越大，越能包容人才。31世界風機制造業(yè)世界風機制造業(yè)32世界風機制造業(yè)世界風機制造業(yè)33風機制造業(yè)Repower2MW風機風機制造業(yè)Repower2MW風機34“***S43/600”含義：***（goldwind)－公司品牌S－stall，即失速控制43－葉輪的直徑為43m600－發(fā)電機的額定功率為600kw采用丹麥設計概念：上風向，三葉片，失速控制，葉尖氣動剎車。是當今風機技術最簡單、成熟、可靠、安全的技術。***產品介紹40或50mΦ43mGOLDWIND“***S43/600”含義：***產品介紹40或50mΦ435機型：失速型、帶葉尖氣動剎車、上風向、三葉片額定功率：125/600kW風輪直徑：43m輪轂中心高：40m,50m(根據(jù)塔架高度)起動風速：3m/s額定風速：15m/s停機風速：25m/s最大抗風：70m/s（3秒）最大風能利用系數(shù)：CPmax≥0.4控制系統(tǒng)：計算機控制，遠程監(jiān)控工作壽命：≥20年600KW風機GOLDWIND機型：失速型、帶葉尖氣動600KW風機GOLDWI36***失速型風機機艙各零部件分布圖1.導流罩2.葉輪3.機艙4.增速箱5.高速機械剎車6.連軸器及安全離合器7.油散熱器8.發(fā)電機

9.風速儀、風向標10.提升機11.發(fā)電機彈性支撐12.TB1控制器13.液壓站14.偏航軸承15.偏航剎車16.偏航驅動17.塔架18..機艙底板19.齒輪箱彈性支撐GOLDWIND***失速型風機機艙各零部件分布圖1.導流罩2.葉37750KW風機***S48/750機組總體技術參數(shù)機型：失速型、帶葉尖氣動剎車、上風向、三葉片額定功率：750kW風輪直徑：48.4m輪轂中心高：50m起動風速：4m/s額定風速：14-15m/s（與氣候條件有關）停機風速：25m/s（10分鐘）GOLDWIND750KW風機***S48/750機組總體技術參數(shù)GOLDW381200KW風機無齒輪、直驅、永磁發(fā)電機結構簡單緊湊，可靠性高機械傳動損耗減少電機效率高運行范圍寬無需勵磁，無碳刷滑環(huán)發(fā)電品質高，無需進行無功補償GOLDWIND1200KW風機無齒輪、直驅、永磁發(fā)電機GOLDWIND39GoldWind62/1200技術參數(shù)葉輪 直徑 62m

掃風面積 3019m2

轉速范圍 10～20RPM1

葉片數(shù)量 3

葉片類型 LM29.1P或

相似葉片

功率控制 變速變槳

剎車系統(tǒng) 3套獨立的葉片剎車 塔架 類型 鋼制錐塔

輪轂中心高 69m運行數(shù)據(jù) 切入風速 3m/s

額度風速 12m/s

切出風速 25m/s

抗最大風速 59,5m/s

電機 類型 多極永磁同步發(fā)電機

結構 直接驅動

額定功率 1200kW

額定電壓 Y690V

絕緣等級 F GOLDWINDGoldWind62/1200技術參數(shù)葉輪 直徑 6240風機主要組成偏航系統(tǒng)電機驅動鏈輪轂葉輪控制變電系統(tǒng)風機主要組成偏航系統(tǒng)電機驅動鏈輪轂葉輪控制變電系統(tǒng)41風力機組成的邏輯關系電網偏航裝置風向風速儀電壓、頻率值剎車盤風力機組成的邏輯關系電網偏航裝置風向風速儀電壓、頻率值剎42失速調節(jié)主動失速定速變速控制齒輪箱變槳距調節(jié)變速調節(jié)無齒輪箱Technologytrend國外大型風力發(fā)電機組發(fā)展趨勢失速調節(jié)主動失速定速變速控制齒輪箱變槳距調節(jié)變速調節(jié)無齒輪箱43國際大型風機的發(fā)展趨勢

——技術水平不斷提高風力發(fā)電單機容量由1980年的30千瓦上升到2005年的5兆瓦國際大型風機的發(fā)展趨勢

——技術水平不斷提高風力發(fā)電單機容量44風特性葉輪機械電機并網風力極限疲勞振動控制材料制造￥葉片設計部件制造COE風機(知識)體系結構與邊界條件CostofEnergy頻率50Hz電壓690V或其他功率因數(shù)>0.98噪音－葉尖速－轉速材料強度控制能力運輸安裝部件共振耦合結構風特性葉輪機械電機并網風力極限疲勞振動控制材料制造￥葉片設計45頻率與電機轉速、齒輪箱增速比、風輪轉速的關系如：電機的輸出頻率

電網頻率50Hz，則發(fā)電機轉速對與常見兩極對的電機，電機轉速為1500RPM由于噪聲要求，葉尖速度有個限值，如<65m/s,對于定速風機，以750KW為例，轉輪直徑50米，葉輪轉速約為22.25rpm,葉尖速則為58m/s,因此齒輪箱的增速比就為1500/22.25=67.4頻率與電機轉速、齒輪箱增速比、風輪轉速的關系如：電機的輸出頻46風機設計的邊界條件電網約束葉尖噪音約束共振耦合約束材料強度約束控制能力約束制造能力約束運輸安裝維護能力約束在以上約束的情況下，要駕馭風并充分利用風能。要駕馭風，就要了解風的習性，即風的脾氣和性格風機設計的邊界條件電網約束在以上約束的情況下，要駕馭風并充分47風有哪些習性？風是個三維的（脈動）矢量（風速、風向（、湍流））風在空間分布上的切變特性風在時間序列上的統(tǒng)計特性

長期的統(tǒng)計

年平均風速、年風向玫瑰圖

風頻分布（年）

功率譜密度

短期的統(tǒng)計（幾秒）湍流強度

自相關函數(shù)物理特性：可壓縮流體，低速時假設為不可壓縮

風的密度（越冷越重，越高越輕，越濕越輕）風能量特性－正比風速的三次方、風輪直徑的平方風有哪些習性？風是個三維的（脈動）矢量（風速、風向（、湍流）48風機設計涉及的主要知識風機設計涉及的主要知識49風機設計知識的核心點目標市場的風資源、風特性(如：湍流特點及模型等）分析，設計或選擇適合風資源特點的高效風輪（當今先進的風輪效率Cp可達0.5)針對風特性、風輪及傳動鏈的優(yōu)化的安全、控制策略

以減小和降低各種載荷，減少如共振問題，材料疲勞、并網等問題，提高風能吸收效率風機系統(tǒng)整機設計策略及布局，荷載傳遞函數(shù)、整機動態(tài)模擬及傳動鏈優(yōu)化設計部件的疲勞設計

（這里涉及一個基礎問題－－材料的疲勞特性，與一個國家的原材料工業(yè)及其研究有關）還有對各種不利的載荷工況的認識，參閱IEC、GL等標準。最終為減輕風機的整體重量，獲得最低的度電成本（COE）風機設計知識的核心點目標市場的風資源、風特性(如：湍流特點及50Asthebladessweepthediskofair,thebladetipspeedIstypically6to10timesthewindspeed.風機如何在風中工作單位面積風中的能量，與風速的3次方成正比Cp

吸收效率ρ

空氣密度，標準密度：1.225kg/m3A風輪面積，pD2/4U風速風機吸收的能量吸收風能，承受推力Asthebladessweepthedisko51風機如何在風中工作風機如何在風中工作52風吹過風輪后會怎樣

轉輪旋渦氣動模型

根據(jù)空氣對葉輪的反作用風吹過風輪后會怎樣轉輪旋渦氣動模型根據(jù)空氣對葉輪的反作53風機尾流風機尾流54單位面積中的風能Thegraphshowsthatatawindspeedof8metrespersecondwegetapower(amountofenergypersecond)of314Wattspersquaremetreexposedtothewind(thewindiscomingfromadirectionperpendiculartothesweptrotorarea).At16m/swegeteighttimesasmuchpower,i.e.2509W/m2.Thetableintherightgivesyouthepowerpersquaremetreexposedtothewindfordifferentwindspeeds.單位面積中的風能Thegraphshowsthat55風能的好壞（用風能密度W評估）風能的好壞（用風能密度W評估）56風資源特點－風功率譜密度與風機設計、振動疲勞荷載及電能質量有關與氣象系統(tǒng)有關，難預測預測相對容易，與日發(fā)電量、日負荷電力調度有關風資源特點－風功率譜密度與風機設計、振動疲勞荷載及電能質量有57風資源數(shù)據(jù)統(tǒng)計精度對風機設計的影響風隨時間和空間變化，產生劇烈的隨機脈動，通過3次方關系的放大，極易形成巨幅的能量變化和脈動荷載，從而引起材料的疲勞。風既是風機能量的來源，也是風機載荷的來源。如果能得到精確的風脈動（統(tǒng)計規(guī)律）特點，就能更精確地得到隨機載荷的特點，從而預測材料的疲勞損傷過程，能更經濟的設計風機。缺少一般詳細風V,P(t)V(t),V(t+Δt)V(t)力FF(t),F(t+Δt)F(t)材料s,es(t),s(t+Δt)e(t),

e(t+Δt)s(t),e(t)（這里還涉及一個基礎問題，材料的疲勞特性，與一個國家的原材料工業(yè)及其研究有關）風資源數(shù)據(jù)統(tǒng)計精度對風機設計的影響風隨時間和空間變化，產生58風的形成風資源描述風能計算

風資源知識風的形成風資源知識591、風的形成1.1地球上的風

風是主要由于太陽對地球不同地方的輻射強度不一樣形成的溫差和壓差而產生，是太陽能的一種表現(xiàn)形式。另外，大范圍的大氣循環(huán)也在受地球自轉的影響。

風——空氣的流動現(xiàn)象。氣象學中指空氣相對于地面的水平運動。風是一個矢量，用風向和風速表示。

風向——指風的來向。我國風向觀測用十六個方位表示，實際測風報告中還常用0-360°范圍內的數(shù)字表示風向。

風速——單位時間內空氣移動的距離。氣象上對風速還作以下定義：（1）平均風速，相應于有限時段，通常指二分鐘或十分鐘的平均情況。（2）瞬時風速，相應于無限小的時段。（3）最大風速，指在給定的時間段或某個期間里面，平均風速中的最大值。（4）極大風速，指在給定的時間段內，瞬時風速的最大值。1、風的形成1.1地球上的風

風是主要60風速換算風速的法定單位和幾種常用單位的換算。單位米·秒-1海里·時-1千米·時-1英尺·秒-1英里·時-11米·秒-111.9438443.6003.280842.236941海里·時-10.5144411.8521.68780991.15077951千米·時-10.2780.5399610.91134440.621369951英尺·秒-10.30480.5924841.0972810.6818181英里·時-10.447040.8689761.4666671風速換算風速的法定單位和幾種常用單位的換算。單位米·秒-1海611.2.1大氣環(huán)流風在地表上形成的根本原因是太陽能量的傳輸，由于地球是一個球體，太陽光輻射到地球上的能量隨緯度不同而有差異，赤道的低緯度地區(qū)受熱量最多，極地和高緯度地受熱量少，因而造成太陽對地球表面的不均勻加熱，從而導致地面上空大規(guī)模的大氣運動，也即總的大氣環(huán)流。假設地球不發(fā)生自轉，由于極地與赤道間的溫差，赤道溫度高的空氣將上升高層流向極地，極地附近大氣則因冷卻收縮下沉，在低空受指向低緯度的氣壓梯度力的作用，流向低緯，便形成了一個全球性的南北向環(huán)流。（圖1）

1.2地球上的環(huán)流圖1由于太陽輻射差異產生的赤道與極地之間的大氣環(huán)流狀況1.2.1大氣環(huán)流1.2地球上的環(huán)流圖1由于太陽輻62

1.2.1大氣環(huán)流(續(xù))

實際上由于地球自轉，會產生一個稱為科里奧利力的地轉偏向力,在北半球總是對流動的空氣產生向右偏的地轉偏向力，從赤道上升流向極地的氣流在氣壓梯度力和地轉偏向力的作用和綜合影響下，在南北兩個半球上各出現(xiàn)了四個氣壓帶和三個閉合環(huán)流圈（稱作“三圈環(huán)流”）。在四個氣壓帶之間則形成了極地東風帶，盛行西風帶,東北(東南)信風帶以及赤道無風帶四大風帶。（圖2）圖2由于地球自轉產生的大氣環(huán)流狀況1.2.1大氣環(huán)流(續(xù))圖2由于地球自轉產生的大63地球自轉對氣流的影響

HowtheCoriolisForceAffectsGlobalWindsPrevailingWindDirections

Latitude 90-60°N60-30°N30-0°N0-30°S30-60°S60-90°S DirectionNE SW NE SE NW SE Thewindrisesfromtheequatorandmovesnorthandsouthinthehigherlayersoftheatmosphere.Around30°latitudeinbothhemispherestheCoriolisforcepreventstheairfrommovingmuchfarther.Atthislatitudethereisahighpressurearea,astheairbeginssinkingdownagain.AsthewindrisesfromtheequatortherewillbealowpressureareaclosetogroundlevelattractingwindsfromtheNorthandSouth.AtthePoles,therewillbehighpressureduetothecoolingoftheair.KeepinginmindthebendingforceoftheCoriolisforce,wethushavethefollowinggeneralresultsfortheprevailingwinddirection:地球自轉對氣流的影響

HowtheCoriolisFo641.2.2季風環(huán)流季風現(xiàn)象：在一個大范圍地區(qū)內其盛行風向或氣壓系統(tǒng)有明顯的季度變化。我國是一個典型的季風氣候國家。季風環(huán)流是季風氣候的主要反映。季風環(huán)流的形成主要原因是由于海陸分布的熱力差異及行星風帶的季節(jié)轉換所形成的。一般海陸差異引起的季風，大都發(fā)生在海陸相接的地區(qū)，海陸之間熱力差異最大，季風現(xiàn)象就最明顯。全球而言，在副熱帶地區(qū)這種差異最明顯，即副熱帶季風（亦稱溫帶季風）最強。亞洲東部地區(qū)是全球海陸差異引起的季風最強的地區(qū)。1.2.2季風環(huán)流651.2.2季風環(huán)流(續(xù))

我國的季風，冬季主要在西風帶影響之下，盛行西北氣流。夏季西風帶北移，南方為大陸熱低壓控制，副熱帶高壓從海洋移至大陸，我國流場轉為西南氣流，春秋則為過渡季節(jié)。此外，海陸分布，青藏高原對我國季風環(huán)流也產生重要影響。冬季，大陸高壓氣壓梯度強大，而夏季熱低壓的氣壓梯度較弱，因而我國夏季風比冬季風弱，這是我國季風的重要特征。我國的風場特征，必須注意到季風環(huán)流這一重要的背景，無論風電場的選址或運行，季風特征必須認真考慮。1.2.2季風環(huán)流(續(xù))66(圖3)海陸風(圖4)山谷風1.2地球上的環(huán)流1.2.3局地環(huán)流(圖3)海陸風(圖4)山谷風1.2地球上的環(huán)流672.2平均風速

風資源描述平均風速為風速在規(guī)定時距T內的時間平均值，

即：

采用合適時距T的平均風速（例如10分鐘），它在一段觀測期內的變化一般不明顯。

實際平均風速是由在相應的時距中，將其瞬時風速相互抵消后所得的綜合結果，采用不同的平均時距就會得到不同的平均風速，時距愈大，平均風速的變化愈小，而相應的平均風速最大值也愈小。為了得可以相互比較的平均風速記錄，氣象上規(guī)定一個統(tǒng)一的平均時距，世界氣象組織和我國規(guī)定將10分鐘平均時距作為平均風速的標準時距。由于歷史的原因和條件的限制（如目測），在一些報表和項目中使用的是2分鐘或更多種的平均風速，使用時必須加以注意。2.2平均風速風資源描述平均風速為風速在規(guī)68風力等級表風力等級自由海面狀況海上船只征象陸地地面物征象距地10米高處的相當風速浪高公里/時海里/時米/秒一般（米）最高（米）0----靜靜、煙直上小于1小于10-0.210.10.1平常漁船略覺搖動煙能表示風向，但風向標不能轉動1-51-30.3-1.520.20.3漁船張帆時，每小時可隨風移行2-3公里人面感覺有風，樹葉微響，風向標能轉動6-114-61.6-3.330.61.0漁船漸覺簸動，每小時可隨風移行5-6公里樹葉及微枝搖動不息，旌旗展開12-197-103.4-5.441.01.5漁船滿帆，可使船身傾向一側能吹起地需灰塵和紙張，樹的小枝搖動20-2811-165.5-7.952.02.5漁船縮帆（即收去帆之一部）有葉的小樹搖擺，內陸的水面有不波29-3817-219.0-10.763.04.0漁船加倍縮帆，捕魚需注意風險大樹枝搖動，電線呼呼有聲，舉傘困難39-4922-2710.8-13.874.05.5漁船停泊港中，在海者下錨全樹搖動，迎風步行感覺不便50-6128-3313.9-17.185.57.5汽船的漁船皆停留不出策枝折毀，人向前行，感覺阻力甚大62-7434-4017.2-20.797.010.0汽船航行困難建筑物有小損（煙囪頂部及平屋搖動）75-8841-4720.8-24.4109.012.5汽船航行頗危險陸上少見，見時可使樹木拔起或建筑物損壞較重89-10248-5524.5-28.41111.516.0汽船遇之極危險陸上很少見，有則必有重大損毀103-11756-6328.5-32.61214海浪滔天陸上絕少見，摧毀力極大118-13364-7132.7-36.913134-14972-8037.0-41.414150-16681-8941.5-46.115167-18390-9946.2-50.916184-201100-10851.0-56.017202-220109-11856.1-61.2注：13-17級風力是當風速可以用儀器測定時使用。風力等級表風力等級自由海面狀況海上船只征象距地10米高69大氣受下墊面的動力和熱力作用，風速沿鉛直方向有明顯的變化，在大氣邊界層或近地層中尤其如此。風速廓線受地形、層結穩(wěn)定度、大型天氣形勢的影響，在鉛直方向呈不同的分布規(guī)律。如在平坦地表、中性層結、近地層風速隨高度分布為“對數(shù)律”：

（1）

式中為平均速度，z為離地面高度；u*為摩擦速度，K為卡門常數(shù),Z0為粗糙度。2.2.2平均風速隨高度變化

大氣受下墊面的動力和熱力作用，風速沿鉛直方向70在近地層穩(wěn)定層結時，有“對數(shù)-線性律”：

（2）

式中L為莫寧一奧布霍夫長度，a1為根據(jù)實測資料確定的常數(shù)。一般情況下，近地層風速廓線可用冪次律：

式中為z1高度的平均風速，指數(shù)n隨層結穩(wěn)定度而變化，中性層結n=1/7不穩(wěn)定層結n較小，穩(wěn)定層結n較大。風剪切在近地層穩(wěn)定層結時，有“對數(shù)-線性律”：

71在風能評估中，使用得最廣泛的是指數(shù)律公式，公式中n稱作粗糙指數(shù)，主要與地面粗糙度有關（同時還與大氣層結狀況等有關）。在沒有作專門的風的梯度觀測情況下，我國一些標準中將地面粗糙度分成四類：

A類近海海面、海島、海岸、大湖湖岸及沙漠地區(qū)

B類田野、鄉(xiāng)村及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)及城郊

C類有密集建筑群的城市市區(qū)

D類有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)

對于大風情況（一般超過10m/s時）其n分別取0.12,0.16,0.22和0.3。n取值在風能評估中，使用得最廣泛的是指數(shù)律公式，公式722.2.3平均風速隨時間變化

1）日變化風在一日內有規(guī)律的周期變化。該變化體現(xiàn)了由于日夜更替所引起的周期性變化，而不包括因天氣形勢變化所引起的非周期變化。典型的風速日變化是白天隨太陽的升高而風速增大，夜間輻射冷卻導致風速減小。

2）月變化：一般指一年時段中以月為單位的逐月風速的周期變化。

3）季變化：一年中以季為單位的風速的季節(jié)變化。

4）年變化：常指風速在一年內的變化。一年中最大與最小的差稱為年較差。

5）年際變化：風速月或年平均在不同年之間的變化。從而了解它的變化大小，趨勢等。2.2.3平均風速隨時間變化

1）日變化風在一日內有73威布爾分布（Weibull）2.2.4平均風速分布

1）平均風速的概率分布C幅度參數(shù)，k形狀參數(shù)風速分布一般均為正偏態(tài)分布。

常用的概率分布曲線有：威布爾分布（Weibul74瑞利分布（Regleigh）（k＝2時）2.2.4平均風速分布1）平均風速的概率分布瑞利分布（Regleigh）（k＝2時）2.2.475威布爾（Weibull）概率分布曲線威布爾（Weibull）概率分布曲線762.2.5平均風向

1）風的玫瑰圖

它是根據(jù)地面風的觀測結果，表示不同風向相對頻率的星形圖解。在風資源分析中，用得最多的風向玫瑰圖，有時也用這種圖表示不同方向的風速和風能的多少。

2）風向的變化

行星邊界層內，由于地面摩擦粘滯力的影響，風向由下至上向右偏轉，直至自由大氣與地轉風平行。在以u、v為坐標軸的圖上，不同高度上風速矢量端點的連線呈螺旋狀。

但在近地層（100米以下），平均風向可近似認為不隨高度改變。2.2.5平均風向

1）風的玫瑰圖

它是根77風向頻率任意點處的風向時刻都在改變，但在一定時間內多次測量，可以得到每一種風向出現(xiàn)的頻率。風向頻率的計算方法

——選擇觀測的時間段，如月、季、年；

——記錄每個風向出現(xiàn)的次數(shù)ni，及總觀測次數(shù)n；

——某風向的風向頻率=ni/n×100風向頻率78風向風向——來風的方向。通常說的西北風、南風等即表明的就是風向。陸地上的風向一般用16個方位觀測。即以正北為零度，順時針每轉過22.5°為一個方位。風向的方位圖圖示如下。風向風向——來風的方向。通常說的西北風、南風等即表明的就是風79(圖)風向風速玫瑰圖風向統(tǒng)計規(guī)律的表示方法(圖)風向風速玫瑰圖風向統(tǒng)計規(guī)律的表示方法80

NNNWNNENWNEWNWENE

WE

WSWESE

SWSESSWSSES

16個風向的風向玫瑰圖

81風速頻率對于風力機的安置處，有兩個重要的描述風資源的參數(shù)：年平均風速和風速頻率。在計算風率時，通常把風速的間隔定為1m/s；風速在某一時間段平均，如10分鐘；按風速的大小，落到哪個區(qū)間，哪個區(qū)間的累加值加1。把個區(qū)間出現(xiàn)的次數(shù)除以總次數(shù)即得風速頻率。風速頻率對于風力機的安置處，有兩個重要的描述82風頻（%）

12111098765

4

321002468101214161820

風速（m/s）風速統(tǒng)計規(guī)律的表示方法風頻（%）風速統(tǒng)計規(guī)律的表示方法83

20181614121086420

100020003000400050006000700080009000風況曲線風況曲線84根據(jù)風況曲線通常可以看出：一年之中有多少時間低于起動風速而無法起動？有多少小時可以達到額定出力？取多大的切出風速較合適？

可見，風頻特性和風況曲線是開發(fā)風能的重要原始資料和依據(jù)。根據(jù)風況曲線通常可以看出：85利用風頻分布及功率曲線進行發(fā)電量的估算利用風頻分布及功率曲線進行發(fā)電量的估算86功率曲線功率曲線87windspeedpowerfrequencyhouroutput103.78%331.50609280207.14%625.73252230309.73%852.2990731041711.33%992.85903816878.654811.91%1043.27610150077.2568111.56%1012.5744682018.53716010.49%919.3164568147090.682578.98%786.6708703202174.493507.28%637.5679693223148.8104685.61%491.0318826229802.9115664.11%360.2242114203886.9126472.88%252.1603474163147.7136971.93%168.6549321117552.5147451.23%107.891861780379.44157720.75%66.0696002651005.73167680.44%38.7547539129763.65177640.25%21.7867933716645.11187490.13%11.7435968795.95319年標準運行小時2163.158年發(fā)電量1622368windspeedpowerfrequencyhourou88圖

脈動風分布規(guī)律2.3脈動風特性圖脈動風分布規(guī)律2.3脈動風特性892.3脈動風特性2.3.1脈動風速

椐2.1.2，在近地層風具有明顯的陣性，可認為近地層風速是由一個平均分量和脈動分量組成，即：

即脈動風速2.3脈動風特性2.3.1脈動風速

椐2902.3.2湍流強度

在近地層中，氣流具有明顯的湍流特征。湍流是一種不規(guī)則隨機流動。其速度有快速的大幅度起伏，并隨時間、空間位置而變。

定義一個時段的脈動風速相對該時段的平均風速的標準偏差與該平均風速的比值。即：

，稱為湍流強度，它是度量相對于風速平均值而起伏的湍流量的大小。2.3.2湍流強度

在近地層中，氣流具有明91湍流強度均方差湍流強度湍流強度均方差湍流強度92不同設計標準中的湍流強度不同設計標準中的湍流強度93風影（WindShade）Porosity

=0%

=30%

=50%

=70%風影（WindShade）Porosity94風場中風機排布正對主風向：間距3－5倍的風輪直徑，行距5－9倍的直徑風場中風機排布正對主風向：間距3－5倍的風輪直徑，行距5－9952.3.3功率譜密度

脈動風速大體服從正態(tài)分布規(guī)律。

脈動速度的平方具有脈動功能的物理意義。

風功率譜就是風速脈動振幅的平方隨頻率變化的圖形。對于變量x(t)，功率譜常表示為：

為x(t)的頻譜，功率譜又稱為功率譜密度或能譜密度。

利用功率譜分析變量中各種振動分量的振幅大小的方法稱為功率譜分析。2.3脈動風特性2.3.3功率譜密度2.3.3功率譜密度

脈動風速大體服從正態(tài)分布規(guī)律。

脈動96圖10近地面處水平風速譜2.3脈動風特性2.3.3功率譜密度圖10近地面處水平風速譜2.3脈動風特性97該圖為近地面處的水平風速譜，該圖譜明顯地被劃分為兩個區(qū)段：（1）高頻區(qū)段，它主要是由脈動風所形成，也稱陣風區(qū)，其峰值周期約為1-2分鐘。（2）低頻區(qū)段：它是受大尺度氣候系統(tǒng)所控制，其峰值周期約為12小時和4天，也稱大尺度氣候區(qū)。2.3.3功率譜密度該圖為近地面處的水平風速譜，該圖譜明顯地被劃982.3.4陣風因子

在工程設計中，根據(jù)平均風速估算陣風最大風速的參數(shù)。定義為某一選定時段I中的平均風速與另一選定時段J（J≥I）中的平均風速（J）之比，

即

通常取I=2秒，J=1分鐘或2分鐘等等。陣風因子隨大氣穩(wěn)定度、高度、平均風速、下墊面狀況以及平均時段I、J的不同而異。2.3脈動風特性2.3.4陣風因子

在工程設計中，根據(jù)平均99風能與風能密度風能——風的動能。計算一年中風能的大小，要考慮風速的分布情況，而不能簡單使用年平均風速。年有效風能——起動風速到切出風速之間的風能。有效風能密度——年有效風能除以年有效風速的持續(xù)時間。風能與風能密度風能——風的動能。1003.1.1風能公式

單位：瓦

式中ρ為空氣密度，單位kg/m3

V為風速，單位m/s

F是氣流通過的面積，m2

評價一地風能資源潛力，常用風功率密度：

單位：瓦/米23、風能資源3.1風能資源的計算3.1.1風能公式

101風機（風輪）吸收的風能Cp

吸收效率ρ

空氣密度，標準密度：1.225kg/m3V風速A風輪面積，pD2/4P=(1/2)ρV3ACp

風機（風輪）吸收的風能Cp吸收效率P=(1/2)ρV3AC102風特性（習性)總結風是個三維的（脈動）矢量（風速、風向（、湍流））風在空間分布上的切變特性風在整數(shù)時間序列(Integraltimescale/lengthscale)上的統(tǒng)計特性

長期的統(tǒng)計

年平均風速、年風向玫瑰圖

風頻分布（年）(Windspeedprobabilitydensityfunctions)

功率譜密度(Powerspectraldensityfunction)

短期的統(tǒng)計（幾秒、幾分）湍流強度（turbulenceintensity）

自相關函數(shù)(autocorrelation)物理特性：可壓縮流體，低速時假設為不可壓縮

風的密度（越冷越重，越高越輕，越濕越輕）風能量特性－正比風速的三次方、風輪直徑的平方風特性（習性)總結風是個三維的（脈動）矢量（風速、風向（、湍103風區(qū)分類（用于指導風機設計和應用）IEC標準

Windturbineclass

I

II

III

S

Vref(m/s)5042.537.5

Valuesspecifiedbythedesigner

A

Iref(-)

0,16

B

Iref(-)

0,14

C

Iref(-)

0,12

風區(qū)分類（用于指導風機設計和應用）IEC標準Windtu104風區(qū)分類GL標準風區(qū)分類GL標準105空氣動力學假設風為均勻層流

假設空氣不可壓縮

動量葉素理論V1

V2A1

AA2v流量空氣動力學假設風為均勻層流

假設空氣不可壓縮

動量葉素理論V106風輪尾流不旋轉時的動量理論質量守恒：ρA1V1=ρAV=ρA2V2動量定理：T=ρAV(V1－V2)能量方程：P=1/2

ρAV3cp=1/2mV12－1/2mV22a=1/3時，風能利用系數(shù)達到貝茲極限Cp=0.593V軸向=aV1,a

軸向誘導因子CT

推力系數(shù)風輪尾流不旋轉時的動量理論質量守恒：ρA1V1=ρAV107風能的利用率風能的利用率108當考慮風輪尾流旋轉時，風輪軸功率有損失，風輪功率系數(shù)要減小。風輪尾流旋轉時的動量理論V1

V2

VA1

AA2當考慮風輪尾流旋轉時，風輪軸功率有損失，風輪功率系數(shù)要減小。109葉素理論葉素理論是將風輪葉片沿展向分成許多段（葉素），假設在每個葉素上的流動相互之間沒有干擾，即葉素可看成是二維翼型，這時，將作用在每個葉素上的力和力矩沿展向積分，就可求得作用在風輪上的力和力矩。葉素理論葉素理論是將風輪葉片沿展向分成許多段110翼型幾何參數(shù)風力機翼型t相對厚度：翼型幾何參數(shù)風力機翼型t相對厚度：111葉素理論安裝角攻角葉素理論安裝角攻角112葉素理論

阻力升力葉素理論阻力升力113翼型升力特性迎角α/（°）升力系數(shù)CL風力機翼型翼型升力特性迎角α/（°）升力系數(shù)CL風力機翼型114翼型阻力特性0.00.51.01.5-50-100-150-200050100150200迎角α/（°）阻力系數(shù)CD風力機翼型翼型阻力特性0.00.51.01.5-50-100-150115升阻比－極曲線在風力機的設計中往往更關心升力h和阻力的比值——升阻比L/D以及最佳升阻比。通過極曲線（又稱艾菲爾曲線）來討論。

CLmax

CL

CT

有利

CDmin

CDCDmin

0CD0升阻比－極曲線在風力機的設計中往往更關心升力h和阻力的比值116說明：——極曲線上的每一點對應一種升阻比及相應的攻角狀態(tài)，如

0、

CDmin、

CT等。——為了得到最佳升阻比，可從原點作極曲線的切線，由于此時的夾角最大，故切點處的升阻比CL/CD=tg

最大，對應的攻角為最有利攻角

有利。說明：117壓力中心壓力中心：氣動合力的作用點，為合力作用線與翼弦的交點。

——作用在壓力中心上的只有升力與阻力，而無力矩。

——壓力中心的位置通常用距前緣的距離表示，約在0.25倍弦長處。壓力中心118翼型優(yōu)化翼型優(yōu)化119升阻比舉例Table1:L/DofSubsonicJetAircraftAircraft(year)(L/D)maxBoeingB707-320波音19.4DouglasDC-8麥道17.9AirbusA320空中客車17.Boeing767-20019.Boeing747-10017.7DouglasDC-1017.7LockeedTristarL1011洛克西德17.0DouglasDC-9(1966)16.5BoeingB727-20016.4Fokker50(1966)16DouglasDC-3(1935)14.7FordTrimotor(1927)12.WrightFlyerI(1903)8.3升阻比舉例Table1:L/DofSubsonic120升阻比舉例Table3:L/DofSomeBirdsBirdL/DHouseSparrow(passerdomesticus)麻雀4.HerringGull(larusargentatus)海鷗10.CommonTern(sternahirundo)燕歐12.Albatross(diomedaexulans)信天翁20.升阻比舉例Table3:L/DofSomeBird121雷諾數(shù)對翼型氣動力特性的影響關于雷諾數(shù)——雷諾數(shù)的物理意義：慣性力與粘性力之比。——層流與紊流：兩種性質不同的流動狀態(tài)。雷諾數(shù)是用來界定兩種狀態(tài)的判據(jù)。——雷諾數(shù)的表達形式：Re=VC/

——臨界雷諾數(shù)Recr：Re<Recr層流

Re>Recr紊流雷諾數(shù)的影響考慮對NACA翼型升力曲線和阻力曲線的影響。隨著雷諾數(shù)的增加：——升力曲線斜率，最大升力系數(shù)與失速攻角均增加；——最小阻力系數(shù)減小；——升阻比增加。雷諾數(shù)對翼型氣動力特性的影響關于雷諾數(shù)122葉片外形葉片外形123葉片外形葉尖剎車位置葉尖正常運行位置葉片外形葉尖剎車位置葉尖正常運行位置124風輪幾何參數(shù)葉片數(shù)直徑輪轂中心高掃掠面積錐角仰角偏航角實度風輪幾何參數(shù)葉片數(shù)125風輪物理參數(shù)風輪轉速Ω尖速比風能利用系數(shù)扭矩M，風輪物理參數(shù)風輪轉速Ω，1261002060風輪直徑D/m塔架高度H/m風輪幾何參數(shù)1002060風輪直徑D/m塔架高度H/m風輪幾何參數(shù)127風輪物理參數(shù)CP風輪物理參數(shù)CP128塔架的剛度B葉片數(shù)，P葉輪轉動頻率剛性塔：（葉片通過頻率）柔性塔： 甚柔塔：塔架的剛度