风资源的基本理论
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风力发电基础理论
A S1v1 Sv S2v2
B D
风力机从自然风中所能索取的能量是有限的，其功率损失部 分可以解释为留在尾流中的旋转动。 能量的转换将导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电 机的型式而异，因此，风力机的实际风能利用系数
• 2．叶尖速比λ • 为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆 周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比λ。 • (2-14)
• 液压系统的压力控制和温度控制 ；
• 变速与变桨距调节：跟踪最佳运行曲线，最大捕获风 能； • 有功功率和无功功率的解藕控制：提高输出电能品质。 • 故障检测与复位：人工手动复位和自动复位； • 偏航与解缆：当风向改变时执行自动偏航；人工偏航 包括：顶部机舱手动偏航；塔底操作面板手动偏航； 远程偏航。当电缆缠绕时执行解缆操作。 • 脱网：当机组运行自身和外部条件不满足时，机组执 行脱网程序。
式中 ——大气压力，； ——相对湿度； ——绝对温度T时饱和水蒸气的压 力
3
273 p 0.378 ps 1.2931 T 101325
式中 ——大气压力，； ——相对湿度； ——绝对温度T时饱和水蒸气的压力
• 四、风力机的特性系数 • • 1．风能利用系数CP • 风力机从自然风能中吸取能量的大小程度用风能利 用率系数CP表示，由式 (2-11）知 P • (2-13) CP 1 v 3 S
电气图 • 功率回路:
双馈电机+多级增速箱的变速风电机组的特点
• 双馈电机定子直接与电网相连，转子侧通过功率 变换器（一般为双PWM交直交型变换器）连接到电 网。该功率变换器的容量仅为电机容量的1/3，并 且能量可以双向流动，这是这种机型的优点。 • 该种机型是利用发电机转子励磁频率、定子输出 频率和转子机械频率的关系，通过改变转子的励 磁频率而使机组完成变速恒频运行，进而实现最 大风能捕获。 • 对电网而言，该系统利用矢量控制实现了输出的 有功和无功的解偶控制，可以为电网输出无功， 保证了输出电能质量。
B D
风力机从自然风中所能索取的能量是有限的，其功率损失部 分可以解释为留在尾流中的旋转动。 能量的转换将导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电 机的型式而异，因此，风力机的实际风能利用系数
• 2．叶尖速比λ • 为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆 周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比λ。 • (2-14)
• 液压系统的压力控制和温度控制 ；
• 变速与变桨距调节：跟踪最佳运行曲线，最大捕获风 能； • 有功功率和无功功率的解藕控制：提高输出电能品质。 • 故障检测与复位：人工手动复位和自动复位； • 偏航与解缆：当风向改变时执行自动偏航；人工偏航 包括：顶部机舱手动偏航；塔底操作面板手动偏航； 远程偏航。当电缆缠绕时执行解缆操作。 • 脱网：当机组运行自身和外部条件不满足时，机组执 行脱网程序。
式中 ——大气压力，； ——相对湿度； ——绝对温度T时饱和水蒸气的压 力
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273 p 0.378 ps 1.2931 T 101325
式中 ——大气压力，； ——相对湿度； ——绝对温度T时饱和水蒸气的压力
• 四、风力机的特性系数 • • 1．风能利用系数CP • 风力机从自然风能中吸取能量的大小程度用风能利 用率系数CP表示，由式 (2-11）知 P • (2-13) CP 1 v 3 S
电气图 • 功率回路:
双馈电机+多级增速箱的变速风电机组的特点
• 双馈电机定子直接与电网相连，转子侧通过功率 变换器（一般为双PWM交直交型变换器）连接到电 网。该功率变换器的容量仅为电机容量的1/3，并 且能量可以双向流动，这是这种机型的优点。 • 该种机型是利用发电机转子励磁频率、定子输出 频率和转子机械频率的关系，通过改变转子的励 磁频率而使机组完成变速恒频运行，进而实现最 大风能捕获。 • 对电网而言，该系统利用矢量控制实现了输出的 有功和无功的解偶控制，可以为电网输出无功， 保证了输出电能质量。
风资源基础知识
1.平均风速
风速：单位时间内空气在水平方向上移动的距离。 风速随时间和空间的变化是随机的。
平均风速 V 1 t2 V (t)dt
t 2 t1 t1
2.风廓线—平均风速随高度变化
➢对数律分布：
V (Z ) ln( Z / Z0 ) V (Zr ) ln( Zr / Z0 )
V(Z) Z高度处风速 Z 距地面高度 Zr 参考高度 Zo 地表面粗糙长度
一般在离地面300～500m高度， 风速才趋于常数。
同样的风轮直径，α越小，上下 风速差越小，对机组载荷越有利。
3.年平均风速分布—长期风速变化
年平均风速 Va：ve 以年为单位的平均值，多年测 量取均值。
年平均风速分布：一年内不同风速累积小时数。 ➢ 威布尔分布： PW (V ) 1 exp[(V / C)k ]
1 2
m
( )(
j 1
3 j
)t
j
— DW—E 风能密度， （W •；h）/m2 m——风速区间数目；
——空气密度， ；kg/m3
—v— j3 第j记录的风速（m/s）值的立方； —t—j 某扇区或全方位第j个风速区间的风速 发生时间，h。
4.风功率密度等级表
2.风廓线—平均风速随高度变化
➢指数律分布：
IEC 61400:
V (Z ) ( Z ) V (Zr ) Zr V(Z) Z高度处风速 Z 距地面高度 Zr 参考高度 α 风切变指数
2.风廓线—平均风速随高度变化
我国建筑结构载荷规范中将地貌分 为A、B、C、D四类： A类：近海平面、海岸、沙漠α ＝0.12 B类：田野、乡村、丘陵、大城 市郊区 α＝0.16 C类：有密集建筑群的城市市区 α＝0.20 D类：密集建筑群且建筑物较高 的城市市区 α＝0.30
风资源的基本理论
风向
SSW SW WSW W
WNW NW NNW C
小时数(h) 866 797 921 344 188 118 215 80
频率（％） 9.89 9.10 10.51 3.93 2.15 1.35 2.45 0.91
NW WNW
N NNW 20.00%
15.00%
10.00%
5.00%
W
0.00%
w =1 2 ρv3
(2-3)
由于风速随时间的变化是随机的，通常无法用—个函数形式给出 v (t)的表达式，
因此通过式(2-3)很难求出平均风能密度。这时，我们只能用观测的离散值近似地求出
(2-3)式的值，即
∑ w' = ρ 2N
N i vi3
(2-4)
其中，N 为 T 时间内共进行的观测次数， vi 为每次的观测值，Ni 为该风速等级在 T 时间内出现的次数。
2.3.1 风向频率
风向时刻都在变化。如果对某一地点的风向进行长时间的连续测定，就可以得到 每一种风向的风向频率。所谓风向频率就是将某一段时间内(月、季、年)风向观测的 次数，按方位分类统计，然后以每一方位的观测次数，除以该段时间内观测的总次数， 再乘以 100 即得到各种风向的风向频率。表 2.3 是海力素风电场全年的各风向累积小 时数和平均风向频率，图 2.6 是其风向频率的玫瑰图(图上各方向辐射线的长度，代表 风向频率之大小)。从图上可以很清楚地看出：该风电场的主要风向在东南一西南方
3．地理位置。由于地表摩擦阻力的作用，所以海面上的风比海岸大，而沿海的 风要比内陆大得多。比如，台风登陆后 100km，其风速几乎衰减了一半，又如，在平 均风速 4~6m/s 时，海岸线外 70km 处的风速要比海岸大 60~70％[27]。
风力发电基础理论
源
建筑物或山体之间的狭窄通道可能会形成狭管 气流顺山坡下降，形成山风。 风。一般情况下，四周开阔的山丘或山脊上的风速较 效应，迎风面气流受到挤压，在通道中风速加速， 大。 形成狭管风。
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风能的描述----风速
风速：
风 资风速的类型： 国际上，大多数国家采用的风速数据主要是 1）平均风速。相应于有限时间段内的平均值，通常指2min 10min平均数据。 源或10min的平均值，通常用 V表示。 2）瞬时风速。相应于无限小时段内的风速。
我们知道，地面对风具有摩擦力，导致风速随 离地面高度变化而发生显著变化。 一般用粗糙度来衡量地面对风的摩擦力大小。 一般来讲，地表粗糙度越大，对风的减速效果 粗糙度，即粗糙长度。 越明显。例如，森林和城市对风的影响很大，草地
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风能的描述----风切变指数
风速随高度变化可以用幂指数公式来描述：
3）最大风速。在给定的时间段或某个期间里面，平均风速 中的最大值。 4）极大风速。在给定的时间段内，瞬时风速的最大值。
指风的移动速度，即在单位时间内空气在水平方向移动的 距离。用V表示，单位为m/s
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风能的描述--风向
风向：
风 风速的表示方法： 1）度数表示法。这是最直接的风向表示法，用0到360度数 资 表示风的来向，比较通俗简单，但不够直观。 2）方位表示法。把0到360度的风向离散化，把不同风向值 源 划分到相应的扇区，这种表示方法比较直观。
1、数据收集。收集气象站数据、风场测风数 据及地形图数据等。 2、数据分析。对气象站多年数据进行整理； 对测风数据进行订正、校验，分析其是否具有代 表性。
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风资源评估知识
风资源评估知识目录一、基础概念 (2)1.1 风能及其重要性 (2)1.2 风力发电的历史与发展 (3)二、风资源评估原理 (4)2.1 风速与风功率密度 (5)2.2 风力资源评估方法 (6)三、风资源评估参数 (8)3.1 风速参数 (9)3.2 风切变系数 (10)3.3 湍流强度 (11)3.4 风向频率 (12)四、风资源评估流程 (13)4.1 评估前准备 (14)4.2 数据收集与处理 (15)4.3 风力资源评估 (16)4.4 结果分析与优化 (18)五、风资源评估应用 (19)5.1 风电场选址与布局 (20)5.2 风力发电机组选型与布置 (21)5.3 风电场运行维护与管理 (22)六、风资源评估软件与工具 (23)6.1 常用风资源评估软件介绍 (25)6.2 软件功能与操作指南 (26)七、风资源评估发展趋势与挑战 (27)7.1 技术创新与发展趋势 (28)7.2 存在的挑战与应对策略 (30)一、基础概念风能：风能是自然界中的风能资源，可以通过风力发电设备转换为电能。
风能的丰富程度取决于地理位置、气候条件等因素。
风资源评估：风资源评估是对特定地区风能资源的评估和预测，以确定该地区的风能潜力，为风力发电项目的开发、设计和运行提供重要依据。
风速与风向：风速是指空气运动的速度，单位是米秒或公里小时。
风向是指风吹来的方向，通常用度数或方位名称表示。
这两个参数是评估风资源的基础。
风功率密度：风功率密度是指单位面积上的风功率，表示一个地区风能的丰富程度。
它是评估风资源质量的重要指标之一。
风能资源分布：风能资源的分布受到地理位置、地形、气候等因素的影响，不同地区的风能资源差异较大。
了解风能资源的分布有助于选择合适的风力发电项目地点。
风资源评估方法：风资源评估通常包括现场测量、气象数据收集、模型模拟等方法。
现场测量是通过风力测量设备收集实际风速。
1.1 风能及其重要性风能是一种清洁、可再生的自然资源，具有巨大的开发潜力。
风能资源(讲义)yzb
1、风的形成 1.1 地球上的风风——空气的流动现象。
气象学中指空气相对于地面的水平运动。
风是一个矢量，用风向和风速表示。
风向——指风的来向。
我国风向观测用十六个方位表示，实际测风报告中还常用0-360°范围内的数字表示风向。
风速——单位时间内空气移动的距离。
气象上对风速还作以下定义：（1）平均风速，相应于有限时段，通常指二分钟或十分钟的平均情况。
（2）瞬时风速，相应于无限小的时段。
（3）最大风速，指在给定的时间段或某个期间里面，平均风速中的最大值。
（4）极大风速，指在给定的时间段内，瞬时风速的最大值。
风速的法定单位和几种常用单位的换算。
1.1.1 地转风定义：自由大气中，气块作水平匀速直线运动时的风。
此时，水平气压梯度力与水平地转偏向力（科里奥利力）平衡下，空气所产生的水平运动。
在等高面上，地转风可写成：k P fV h g ⨯∇-=ρ1式中V g 为地转风，ρ是该高度空气的密度，P 是该高度的气压场分布，▽h P 即水平气压梯度，f 是科里奥科参数，f=2wsin Φ，其中W 与地球自转角速度，Φ为地理纬度，K 是垂直方向的单位向量。
地转风的方向与等压线平行，在北半球背风而立，高压在右，低压在左，南半球则相反。
地转风的大小与气压梯度成正比，但与空气密度和科里奥利参数成反比。
地转风关系揭示了风场与气压场之间最简单也是最基本的关系,在自由大气中实际风与地转风十分接近，因此在实际应用上都常把地转风作为实际风的近似。
1.1.2 梯度风定义：在无摩擦力时，在弯曲等压线型式下，水平气压梯度力、水平科里奥利力、离心力三者平衡时，空气的水平运动所形成的风。
风向与等压线相切，在北半球，人背风而立，低压在左，高压在右。
南半球相反。
即在北半球，由低气压系统形成的气旋性风总是反时针方向旋转的，由高压系统形成的反气旋风总是顺时针方向旋转的。
理论上说，梯度风应更接近于实际风，但在作实际计算时由于惯性离心力很小很难计算，因此往往误差很大，有时还不如地转风近似好，一般只在讨论热带气旋等系统时应用。
风能
41
3. 风力发电
三、存在问题
2）风机对环境的影响
风能是一种最清洁的对大气污染少的可再生能源， 但风机存在着噪声、对鸟类易造成伤害，也会对无线 电通讯和电视产生干扰。
42
43
2）风力发电不消耗资源、不污染环境，具有广阔的 发展前景； 3）建设周期短。一台风机的运输安装时间不超过三 个月，万千瓦级风电场建设期不到一年，而且安装一 台可投产一台； 4）装机规模灵活。可根据资金多少来确定，为筹集 资金带来便利；
23
2. 风能
三、风力发电的特点及优势
5）运行简单。可完全做到无人值守；
15
2. 风能
一、利用历史和现状
4）我国风能利用现状
到2003年我国有40多个风电场，装机容量约为76.4 万千瓦，风电装机容量仅占全国装机容量的0.17%。 2004年全国在建项目的装机容量约150万千瓦，其 中正在施工的约42万千瓦，可研批复的68万千瓦，项 目建议书批复的45万千瓦，包括五个10万千瓦特许权 项目。如果这些项目抓紧实施，2005年底累计装机可 超过100万千瓦。
11
2. 风能
一、利用历史和现状
1）风能的利用简史
目前风力发电之最是： 美国CE公司的“超级风力机”，单机功率 7.3MW 风车直径112m；
12
2. 风能
一、利用历史和现状
2）世界风能利用现状
世界风电总装机容量1994年底为350万kW，1995 年底为490万kW，1996年底为607万kW，1997年为 764万kW，1998年达1015万kW，1999年达1393万kW， 2001年达1845万kW，2001年达2493万kW．2002年达 到了112.7kW，平均年增长率在30％以上。
3. 风力发电
三、存在问题
2）风机对环境的影响
风能是一种最清洁的对大气污染少的可再生能源， 但风机存在着噪声、对鸟类易造成伤害，也会对无线 电通讯和电视产生干扰。
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2）风力发电不消耗资源、不污染环境，具有广阔的 发展前景； 3）建设周期短。一台风机的运输安装时间不超过三 个月，万千瓦级风电场建设期不到一年，而且安装一 台可投产一台； 4）装机规模灵活。可根据资金多少来确定，为筹集 资金带来便利；
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2. 风能
三、风力发电的特点及优势
5）运行简单。可完全做到无人值守；
15
2. 风能
一、利用历史和现状
4）我国风能利用现状
到2003年我国有40多个风电场，装机容量约为76.4 万千瓦，风电装机容量仅占全国装机容量的0.17%。 2004年全国在建项目的装机容量约150万千瓦，其 中正在施工的约42万千瓦，可研批复的68万千瓦，项 目建议书批复的45万千瓦，包括五个10万千瓦特许权 项目。如果这些项目抓紧实施，2005年底累计装机可 超过100万千瓦。
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2. 风能
一、利用历史和现状
1）风能的利用简史
目前风力发电之最是： 美国CE公司的“超级风力机”，单机功率 7.3MW 风车直径112m；
12
2. 风能
一、利用历史和现状
2）世界风能利用现状
世界风电总装机容量1994年底为350万kW，1995 年底为490万kW，1996年底为607万kW，1997年为 764万kW，1998年达1015万kW，1999年达1393万kW， 2001年达1845万kW，2001年达2493万kW．2002年达 到了112.7kW，平均年增长率在30％以上。
风的基本理论
第一章风能及风能资源一．风的成因风是环绕地球大气层中的空气流动．流动的空气所具有的能量，也就是风所具有的动能，就称为风能．从广义太阳能的观点看，风能是由太阳能转化而来的．来自太阳能的辐射能不断地传送到地球表面周围，因受太阳照射而受热的情况不同，地球表面各处产生了温差，因而产生气压差，由此形成了空气的流动．因此，可以说是太阳把能量以热能的形式传到地球而后又转换成风能的．二风的分类大气环流――地球表面的大气环流是由于太阳辐射及地球自转而引起的．在赤道上，太阳垂直照射，地面受热很强：而在地球两极地区，太阳是倾斜照射的，地面受热则较弱，热空气较冷空气轻，就造成在赤道附近热空气向空间上升，并通过大气层上部流向两极；两极地区的冷空气则流向赤道．由于地球本身自西向东旋转的结果，这种大气环流在北半球产生了东北风，在南半球则产生了东南风，分别称为东北信风和东南信风.海陆风――沿海地球陆地同海上所形成的风向交替的海风与陆风，它们是由于昼夜之间温度变化而造成的．在白日，陆地上接受的太阳辐射热量较海水要强，因而陆地上的空气受热向上流动，而海洋面上的空气较冷，较冷的空气则自海洋流向沿岸陆地，这样就形成了海风；在夜间，陆地上的空气比海洋上的空气冷却要快，这样就造成海洋上的空气上升，而陆地上较冷的空气沿地面流向海洋，形成了陆风.山谷风――山岳地区在一昼夜间风向交替的山风（或称山岳风）与谷风（或称平原风）．谷风的产生是由于日间太阳照射使山坡上的空气温度升高，热空气上升，而地势地处的冷空气则自山谷向上流动，这就形成了谷风；到了夜晚，空气中的热量向高空散发，高空中的空气密度增大，空气则沿山坡向下流动，这就形成了山风．第二章风的描述如上所述，风是由于空气的流动而形成的，因此可被看做是向量，包括空气流动的速度及流动的方向两个要素，也即是风速和风向．对于人类来说，风是最熟悉的自然现象之一，风速与风向在不同的时间（每日每月每年）都有一定的周期性变化．为了估算某一地域的风能资源，必须测量出每日、每月、每年的风速及风向数据，了解其变化的情况。
风力地理知识点总结
风力地理知识点总结一、风力资源分布风力资源的分布受到地理环境的影响。
通常来说，风能资源主要分布在高纬度地区、临海地区以及一些特定地形的地区。
在地理环境方面，风能资源与大气环流、地形地貌、植被分布以及临海地区等有密切的关系。
举个例子，高纬度地区由于地球自转造成的科里奥利力会产生强大的风能资源。
另外，由于临海地区太阳辐射的影响，也会产生较强的风能资源。
二、风场地形风场地形是指风能资源分布区域的地形地貌。
地形地貌是指地球表面地形的形态及地貌特点。
诸如平原、丘陵、高原、山地等不同的地形地貌都会对风场的建设产生影响。
风力资源和地形地貌有一定的相关性，不同地形地貌区域的风能资源也不同。
因此，对于风力资源的开发和利用，要对地形地貌有深入的了解。
三、风场气候条件气候条件是影响风能资源的另一个重要因素。
通常来说，气候条件与地理位置有关，热带地区与极地地区的气候差别很大。
气候条件与风能资源的关系主要表现在风速、湿度、温度和气压等方面。
这些气候条件的不同，将会直接影响到风能资源的利用。
四、风力发电布局风场的建设布局是指在风能资源分布区域内根据地形地貌、气候条件等因素确定具体的建设位置。
风场的布局是一个综合性的问题，需要同时考虑到风速、地形、土壤、植被、环境保护、电网输送等多个因素。
风场的建设布局将直接影响到风能资源的开发利用效率和经济效益。
五、风力资源的开发利用风能资源的开发利用主要是指将风能转化为电能的过程，这一过程包括风机的选址、布局和设计，风机组的制造和安装，风电场的运行和管理等环节。
近年来，风力资源的开发利用已经取得了长足的进步，风能发电已经成为世界范围内的一种重要的清洁能源形式。
六、风电技术发展风电技术发展是风能资源开发利用的基础和关键。
风电技术发展主要包括风机技术、风场建设工程技术、风电设备制造技术、风能发电系统技术等各个环节。
一方面，风电技术的发展将直接影响到风能资源的利用效率和经济效益；另一方面，风电技术的发展也将推动清洁能源产业的发展和进步。
风与风资源基础知识
风与风资源基础知识授课：***编订：孙伟修改：***金风大学运维学院2016年1月29日课程目录一、风二、风能资源地球上任何地方都在吸收太阳的热量，但是由于地面每个部位受热的不均匀性，空气的冷暖程度就不一样，于是暖空气膨胀变轻后上升；冷空气冷却变重后下降，这样冷暖空气便产生流动，形成了风。
而且由于地球自转、公转的力量及地形之不同也更加强风力和风向之变化多端。
•风是一个矢量，既有大小又有方向。
•描述风况的两个参数：风向、风速。
地球表面风的形成和风向风的形成赤道与南北纬30度之间的大气环流系统北纬30度至60度之间的大气环流系统北纬60度至北极之间的大气环流系统全球大气环流示意地球在自转，使空气水平运动发生偏向的力，称为地转偏向力，这种力使北半球气流向右偏转，南半球向右偏转，所以地球大气运动除受气压梯度力外，还要受地转偏向力的影响。
大气真实运动是这两力综合影响的结果。
风的形成•山谷风谷风：由于热力原因引起的白天由谷地吹向平原或山坡山风：夜间由平原或山坡吹向谷地风的形成•海陆风海风：在沿海地区，白天由于陆地与海洋的温度差而形成海风吹向陆地陆风：晚上陆风吹向海上风的形成•峡谷（峡管）风峡谷效应使风速增大，不论是高大的山脉或是中小尺度的山脉只要存在峡谷或缢口河谷都有峡管效应，因为在谷地中流场压缩，其风速将比两侧加强，即产生峡管效应。
当气流通过山地时，由于受到地形阻碍的影响，流场发生变化。
在山的迎风面下部由于气流受阻，风速减弱，且有上升气流。
在山的顶部和两侧，因为气流线密集，风速加强。
风的形成•地形加速（爬坡）风在气象上，风常指空气的水平运动，并用风向、风速（或风力）来表示。
风向指风的來向，一般用16个方位（国际通用）或360度來表示。
以360度表示时，由北起按顺时针方向量度。
风速（或风力）指的是单位时间內空气的移动距离，常以米/秒、公里/小时、海里/小时來表示。
风速和风向风力等级表注：本表所列风速是指平地上离地10米处的风速值风的特性•风的日变化地面上是夜间风弱，白天风强；高空中却是夜里风强，白天风弱。
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2.1.2 风向
2.1.2.1 风向的测量 风向是指风吹来的方向，如果风是从北方吹来就称为北风。风向可以由风向标给
出，从风向标相对于罗盘主方位固定臂的位置，可看出风的方向。气象上使用的风向 标要求转动灵活，且要水平安装在四周空旷的地区，并高出地面 10～12m。目前国内 使用的 EL 型电接风向风速仪，通过电缆把风向标的摆动信号接到室内记录仪上，每 间隔 2.5min，记录一次瞬时风向，这样，在室内就可以观测和记录风向。 2.1.2.2 风向的表示
(2-1)
这就是在 t 时间内，风所具有的能量公式。式中 为空气密度，v为风速，各参 量的单位采用国际单位制。
2.1.4 风功率（风能公式）
在单位时间内流过该截面的风能，= 1 2 v 3A
(2-2)
单位为千克·米 2·秒-3，即瓦。式(2-2)，是我们常用的风功率公式。而在风力工 程上，则又习惯称此式为风能公式。
第二章 风资源的基本理论
第二章 风资源的基本理论
2.1 描述风的物理量
风是一种矢量，它通常用风向与风速这两个参数来表示。为了表示风所具有的能 量，常用的概念有：风能、风功率、平均风能密度、有效风能密度等。
2.1.1 风速
它表示空气在单位时间内流过的距离，单位是米/秒或英里/小时。风速要用风速 仪测量。由于风力变幻莫测，于是在实用中就有瞬时风速与平均风速这两个概念。前 者可以用风速仪在较短时间(0.5～1.0s)内测得，后者实际上是某一时间间隔内各瞬时 风速的均值，因此就有日平均风速、月平均风速、年平均风速等。
从(2-2)式可见，风能大小与气流通过的面积、空气密度和气流速度的立方成正比。
6
第二章 风资源的基本理论
因此，在风能计算中，最重要的因素是风速，风速取值准确与否对风能潜力的估计有 决定性作用。
2.1.5 平均风能密度
风能密度是气流在单位时间内垂直通过单位截面积的风能。将(2-2)式除以相应的 面积 A，便得到风功率密度公式，也称风能密度公式
就有损坏的危险，必须停止运行，这一风速称为“停机风速”或“截止风速”。因此， 在统计风速资料计算风能潜力时，必须考虑这两种因素。通常将“起动风速”到“停 机风速”之间的风力称“有效风力”。这个范围内的风能称为“有效风能”。因此引入
“有效风能密度”这一概念，它是有效风力范围内的风力平均密度。
根据有效风速密度定义，它的计算式为：
v2
3
wi = v1 12 v f '(v)dv
(2-5)
式中wi 为有效风能密度；v1起动风速，v2为停机风速； f '(v)为有效风速范围内 的条件概率分布密度函数，它与风速分布密度函数 f (v)的关系是：
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内蒙古工业大学硕士学位论文
f (v)
f (v)
f '(v) =
=
f (v1 v v2) f (v v2) f (v v1)
风随时间的变化，包括每日的变化和月的变化。 1．风速的日变化 通常一天之中风的强弱在某种程度上可以看作是周期性的。如地面上夜间风弱， 白天风强；高空中正相反是夜里风强，白天风弱。这个逆转的临界高度大约为 100～ 150m。图 2.2 是海力素气象站的风速日变化。
7 6 5 4 3 2 1 0
21 22 23 01 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 时间(t)
图 2.2 风速的日变化
2．风速的月变化 由于季节的变化，太阳和地球的相对位置也发生变化，使地球上存在季节性的温 差。因此风向和风的强度也会发生季节性变化。我国大部分地区风的季节性变化情况 是：春季最强，冬季次之，夏季最弱。当然也有部分地区例外，如沿海地区，夏季季 风最强，春季季风最弱。 一年之中，由于地球表面高压区和低压区的变动，风的速度与方向一般也发生变 化。图 2.3 是海力素气象站月平均风速的展开图。从图上不难看出该地区的风速都比
(2-6)
从公式(2-3)、(2-4)、(2-5)、(2-6)可见，计算一个地点的风能密度，需要计算该时 间区间下的空气密度和风速。
2.2 风的时空变化
从上面的分析可知风向和风速是两个描述风的重要参数。显然风向和风速这两个 参数都是在变化的。下面主要讨论与风资源评估相关的风随时间和高度的变化。
2.2.1 风随时间的变化
2.1.6 有效风能密度
由于风力机需要根据一个确定的风速来设计，这个风速称为“设计风速”。在这 种风速下，风力机功率最为理想．风力工程中，把风力机开始运行作功时的这个风速 称为“起动风速”。当风到达某一风速时，风机限速装置将限制风轮转速不再改变， 以使风力机出力稳定，称这个风速为额定风速。但若再大到某一极限风速时，风力机
NNE ESE SSW WNW
表 2.1 16 个方位风向符号
角度 360 90 180 270 22.5 112.5 202.5 292.5
风向 东北 东南 西南 西北
东北偏东 东南偏南 西南偏西 西北偏北
符号 NE SE SW NW ENE SSE WSW NNW
角度 45 135 225 315 67.5 157.5 247.5 337.5
观测陆地上的风向，一般采用 16 个方位 (观测海上的风向通常采用 32 个方位)，即以 正北为零，顺时针每转过 22.5°为一个方位， 表 2.1 列出 16 个方位的风向符号，图 2.1 是 风向的方位图。
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内蒙古工业大学硕士学位论文
风向 北 东 南 西
东北偏北 东南偏东 西南偏南 西北偏西
符号 N E S W
w=1 2 v3
(2-3)
由于风速随时间的变化是随机的，通常无法用—个函数形式给出v(t)的表达式， 因此通过式(2-3)很难求出平均风能密度。这时，我们只能用观测的离散值近似地求出
(2-3)式的值，即
w' = 2N
N
vi
3 i
(2-4)
其中，N 为 T 时间内共进行的观测次数， vi为每次的观测值，Ni为该风速等级在 T 时间内出现的次数。
2.1.3 风能
风能就是流动的气流所具有的动能。风能的利用主要就是将气流的动能转化为其 它形式的能。
假定气流是不可压缩的(这在风能利用的风速范围内，是相当精确地成立的)[23]， 那么整个能量就可看成是纯动力的，根据力学原理，在时间 t 内，流过截面 A 的风具 有的动能 E(焦耳)为
E = 1 2 v3 At
2.1.2.1 风向的测量 风向是指风吹来的方向，如果风是从北方吹来就称为北风。风向可以由风向标给
出，从风向标相对于罗盘主方位固定臂的位置，可看出风的方向。气象上使用的风向 标要求转动灵活，且要水平安装在四周空旷的地区，并高出地面 10～12m。目前国内 使用的 EL 型电接风向风速仪，通过电缆把风向标的摆动信号接到室内记录仪上，每 间隔 2.5min，记录一次瞬时风向，这样，在室内就可以观测和记录风向。 2.1.2.2 风向的表示
(2-1)
这就是在 t 时间内，风所具有的能量公式。式中 为空气密度，v为风速，各参 量的单位采用国际单位制。
2.1.4 风功率（风能公式）
在单位时间内流过该截面的风能，= 1 2 v 3A
(2-2)
单位为千克·米 2·秒-3，即瓦。式(2-2)，是我们常用的风功率公式。而在风力工 程上，则又习惯称此式为风能公式。
第二章 风资源的基本理论
第二章 风资源的基本理论
2.1 描述风的物理量
风是一种矢量，它通常用风向与风速这两个参数来表示。为了表示风所具有的能 量，常用的概念有：风能、风功率、平均风能密度、有效风能密度等。
2.1.1 风速
它表示空气在单位时间内流过的距离，单位是米/秒或英里/小时。风速要用风速 仪测量。由于风力变幻莫测，于是在实用中就有瞬时风速与平均风速这两个概念。前 者可以用风速仪在较短时间(0.5～1.0s)内测得，后者实际上是某一时间间隔内各瞬时 风速的均值，因此就有日平均风速、月平均风速、年平均风速等。
从(2-2)式可见，风能大小与气流通过的面积、空气密度和气流速度的立方成正比。
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第二章 风资源的基本理论
因此，在风能计算中，最重要的因素是风速，风速取值准确与否对风能潜力的估计有 决定性作用。
2.1.5 平均风能密度
风能密度是气流在单位时间内垂直通过单位截面积的风能。将(2-2)式除以相应的 面积 A，便得到风功率密度公式，也称风能密度公式
就有损坏的危险，必须停止运行，这一风速称为“停机风速”或“截止风速”。因此， 在统计风速资料计算风能潜力时，必须考虑这两种因素。通常将“起动风速”到“停 机风速”之间的风力称“有效风力”。这个范围内的风能称为“有效风能”。因此引入
“有效风能密度”这一概念，它是有效风力范围内的风力平均密度。
根据有效风速密度定义，它的计算式为：
v2
3
wi = v1 12 v f '(v)dv
(2-5)
式中wi 为有效风能密度；v1起动风速，v2为停机风速； f '(v)为有效风速范围内 的条件概率分布密度函数，它与风速分布密度函数 f (v)的关系是：
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f (v)
f (v)
f '(v) =
=
f (v1 v v2) f (v v2) f (v v1)
风随时间的变化，包括每日的变化和月的变化。 1．风速的日变化 通常一天之中风的强弱在某种程度上可以看作是周期性的。如地面上夜间风弱， 白天风强；高空中正相反是夜里风强，白天风弱。这个逆转的临界高度大约为 100～ 150m。图 2.2 是海力素气象站的风速日变化。
7 6 5 4 3 2 1 0
21 22 23 01 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 时间(t)
图 2.2 风速的日变化
2．风速的月变化 由于季节的变化，太阳和地球的相对位置也发生变化，使地球上存在季节性的温 差。因此风向和风的强度也会发生季节性变化。我国大部分地区风的季节性变化情况 是：春季最强，冬季次之，夏季最弱。当然也有部分地区例外，如沿海地区，夏季季 风最强，春季季风最弱。 一年之中，由于地球表面高压区和低压区的变动，风的速度与方向一般也发生变 化。图 2.3 是海力素气象站月平均风速的展开图。从图上不难看出该地区的风速都比
(2-6)
从公式(2-3)、(2-4)、(2-5)、(2-6)可见，计算一个地点的风能密度，需要计算该时 间区间下的空气密度和风速。
2.2 风的时空变化
从上面的分析可知风向和风速是两个描述风的重要参数。显然风向和风速这两个 参数都是在变化的。下面主要讨论与风资源评估相关的风随时间和高度的变化。
2.2.1 风随时间的变化
2.1.6 有效风能密度
由于风力机需要根据一个确定的风速来设计，这个风速称为“设计风速”。在这 种风速下，风力机功率最为理想．风力工程中，把风力机开始运行作功时的这个风速 称为“起动风速”。当风到达某一风速时，风机限速装置将限制风轮转速不再改变， 以使风力机出力稳定，称这个风速为额定风速。但若再大到某一极限风速时，风力机
NNE ESE SSW WNW
表 2.1 16 个方位风向符号
角度 360 90 180 270 22.5 112.5 202.5 292.5
风向 东北 东南 西南 西北
东北偏东 东南偏南 西南偏西 西北偏北
符号 NE SE SW NW ENE SSE WSW NNW
角度 45 135 225 315 67.5 157.5 247.5 337.5
观测陆地上的风向，一般采用 16 个方位 (观测海上的风向通常采用 32 个方位)，即以 正北为零，顺时针每转过 22.5°为一个方位， 表 2.1 列出 16 个方位的风向符号，图 2.1 是 风向的方位图。
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风向 北 东 南 西
东北偏北 东南偏东 西南偏南 西北偏西
符号 N E S W
w=1 2 v3
(2-3)
由于风速随时间的变化是随机的，通常无法用—个函数形式给出v(t)的表达式， 因此通过式(2-3)很难求出平均风能密度。这时，我们只能用观测的离散值近似地求出
(2-3)式的值，即
w' = 2N
N
vi
3 i
(2-4)
其中，N 为 T 时间内共进行的观测次数， vi为每次的观测值，Ni为该风速等级在 T 时间内出现的次数。
2.1.3 风能
风能就是流动的气流所具有的动能。风能的利用主要就是将气流的动能转化为其 它形式的能。
假定气流是不可压缩的(这在风能利用的风速范围内，是相当精确地成立的)[23]， 那么整个能量就可看成是纯动力的，根据力学原理，在时间 t 内，流过截面 A 的风具 有的动能 E(焦耳)为
E = 1 2 v3 At