风电基础知识(3)

The wind rises from the equator and moves north and south in the higher layers of the atmosphere. Around 30° latitude in both hemispheres the Coriolis force prevents the air from moving much farther. At this latitude there is a high pressure area, as the air begins sinking down again. As the wind rises from the equator there will be a low pressure area close to ground level attracting winds from the North and South. At the Poles, there will be high pressure due to the cooling of the air. Keeping in mind the bending force of the Coriolis force, we thus have the following general results for the prevailing wind direction:

Prevailing Wind Directions Latitude 90-60°N 60-30°N Direction NE SW

30-0°N NE

0-30°S SE

30-60° S NW

60-90°S SE

? 1.2.2 季风环流季风现象：在一个大范围地区内其盛行风向或气压系统有明显的季度变化。我国是一个典型的季风气候国家。季风环流是季风气候的主要反映。季风环流的形成主要原因是由于海陆分布的热力差异及行星风带的季节转换所形成的。一般海陆差异引起的季风，大都发生在海陆相接的地区，海陆之间热力差异最大，季风现象就最明显。全球而言，在副热带地区这种差异最明显，即副热带季风（亦称温带季风）最强。亚洲东部地区是全球海陆差异引起的季风最强的地区。

?1.2.2

季风环流(续) 我国的季风，冬季主要在西风带影响之下，盛行西北气流。夏季西风带北移，南方为大陆热低压控制，副热带高压从海洋移至大陆，我国流场转为西南气流，春秋则为过渡季节。此外，海陆分布，青藏高原对我国季风环流也产生重要影响。冬季，大陆高压气压梯度强大，而夏季热低压的气压梯度较弱，因而我国夏季风比冬季风弱，这是我国季风的重要特征。我国的风场特征，必须注意到季风环流这一重要的背景，无论风电场的选址或运行，季风特征必须认真考虑。

1.2 地球上的环流
1.2.3 局地环流

(图3) 海陆风

(图4)山谷风

风资源描述
2.2 平均风速
平均风速 v 为风速在规定时距T内的时间平均值， ? 1 T 即： v? v( x, y, z , t ) dt
T
?

?

0

采用合适时距T的平均风速（例如10分钟），它在一段观测期内的变化一般不明显。实际平均风速是由在相应的时距中，将其瞬时风速相互抵消后所得的综合结果，采用不同的平均时距就会得到不同的平均风速，时距愈大，平均风速的变化愈小，而

相应的平均风速最大值也愈小。为了得可以相互比较的平均风速记录，气象上规定一个统一的平均时距，世界气象组织和我国规定将10分钟平均时距作为平均风速的标准时距。由于历史的原因和条件的限制（如目测），在一些报表和项目中使用的是2分钟或更多种的平均风速，使用时必须加以注意。

风力等级表
风力等级自由海面状况浪高一般（米） 0 1 2 3 4 5 6 7 -0.1 0.2 0.6 1.0 2.0 3.0 4.0 最高（米） -0.1 0.3 1.0 1.5 2.5 4.0 5.5 静静、平常渔船略觉摇动渔船张帆时，每小时可随风移行2-3公里渔船渐觉簸动，每小时可随风移行5-6 公里渔船满帆，可使船身倾向一侧渔船缩帆（即收去帆之一部）渔船加倍缩帆，捕鱼需注意风险渔船停泊港中，在海者下锚烟直上烟能表示风向，但风向标不能转动人面感觉有风，树叶微响，风向标能转动树叶及微枝摇动不息，旌旗展开能吹起地需灰尘和纸张，树的小枝摇动有叶的小树摇摆，内陆的水面有不波大树枝摇动，电线呼呼有声，举伞困难全树摇动，迎风步行感觉不便小于1 1-5 6-11 12-19 20-28 29-38 39-49 50-61 小于1 1-3 4-6 7-10 11-16 17-21 22-27 28-33 0-0.2 0.3-1.5 1.6-3.3 3.4-5.4 5.5-7.9 9.0-10.7 10.8-13.8 13.9-17.1 海上船只征象陆地地面物征象距地10米高处的相当风速公里/时海里/时米/秒

8 9
10 11 12 13 14 15 16 17

5.5 7.0
9.0 11.5 14

7.5 10.0
12.5 16.0

汽船的渔船皆停留不出汽船航行困难
汽船航行颇危险汽船遇之极危险海浪滔天

策枝折毁，人向前行，感觉阻力甚大建筑物有小损（烟囱顶部及平屋摇动）
陆上少见，见时可使树木拔起或建筑物损坏较重陆上很少见，有则必有重大损毁陆上绝少见，摧毁力极大

62-74 75-88
89-102 103-117 118-133 134-149 150-166 167-183 184-201 202-220

34-40 41-47
48-55 56-63 64-71 72-80 81-89 90-99 100-108 109-118

17.2-20.7 20.8-24.4
24.5-28.4 28.5-32.6 32.7-36.9 37.0-41.4 41.5-46.1 46.2-50.9 51.0-56.0 56.1-61.2

注：13-17级风力是当风速可以用仪器测定时使用。

2.2.2 平均风速随高度变化

大气受下垫面的动力和热力作用，风速沿铅直方向有明显的变化，在大气边界层或近地层中尤其如此。风速廓线受地形、层结稳定度、大型天气形势的影响，在铅直方向呈不同的分布规律。如在平坦地表、中性层结、近地层风速随高度分布为“对数律”：

（1）

u* z u ?z ? ? In K z0
?
?

式中 u 为平均速度，z为离地面高度；u*为摩擦速度，K为卡门常数,Z0为粗糙度。

风剪切
在近地层稳定层结时，有“对数-线性律”： ? u* ? z z? u ?z ? ? ? In ? a1 ? K ? z0 L ? （2）式中L为莫宁一奥布霍夫长度，a1为根据实测资料确定的常数。一般情况下，近地层风速

廓线可用幂次律： n ? ? ? z ? u ? z ? ? u1 ? ? z ? ? ? 1 ? 式中 u1 为z1高度的平均风速，指数n随层结稳定度而变化，中性层结n=1/7不稳定层结n 较小，稳定层结n较大。
?

n取值
在风能评估中，使用得最广泛的是指数律公式，公式中n称作粗糙指数，主要与地面粗糙度有关（同时还与大气层结状况等有关）。在没有作专门的风的梯度观测情况下，我国一些标准中将地面粗糙度分成四类： A类近海海面、海岛、海岸、大湖湖岸及沙漠地区 B类田野、乡村及房屋比较稀疏的乡镇及城郊 C类有密集建筑群的城市市区 D类有密集建筑群且房屋较高的城市市区对于大风情况（一般超过10m/s时）其n分别取0.12, 0.16, 0.22 和0.3。

?2.2.3 平均风速随时间变化

1）日变化风在一日内有规律的周期变化。该变化体现了由于日夜更替所引起的周期性变化，而不包括因天气形势变化所引起的非周期变化。典型的风速日变化是白天随太阳的升高而风速增大，夜间辐射冷却导致风速减小。 2）月变化：一般指一年时段中以月为单位的逐月风速的周期变化。
3）季变化：一年中以季为单位的风速的季节变化。 4）年变化：常指风速在一年内的变化。一年中最大与最小的差称为年较差。 5）年际变化：风速月或年平均在不同年之间的变化。从而了解它的变化大小，趋势等。

2.2.4 平均风速分布
1）平均风速的概率分布
风速分布一般均为正偏态分布。常用的概率分布曲线有：

威布尔分布（Weibull）
x? ? k ? x ? k ?1 ?? ? ? ? ? ? e ?c? p( x) ? ? c ? c ? ? ?0
k

x?0 x?0

C 幅度参数， k 形状参数

2.2.4 平均风速分布

1）平均风速的概率分布瑞利分布（Regleigh）（k ＝2 时）
? x ?x ? 2 e 2u p( x) ? ? u ?0 ?
2

x?0 x?0

威布尔（Weibull ）概率分布曲线

?2.2.5平均风向

1）风的玫瑰图它是根据地面风的观测结果，表示不同风向相对频率的星形图解。在风资源分析中，用得最多的风向玫瑰图，有时也用这种图表示不同方向的风速和风能的多少。
2）风向的变化行星边界层内，由于地面摩擦粘滞力的影响，风向由下至上向右偏转，直至自由大气与地转风平行。在以u、v 为坐标轴的图上，不同高度上风速矢量端点的连线呈螺旋状。但在近地层（100米以下），平均风向可近似认为不随高度改变。

风向频率
? 任意点处的风向时刻都在改变，但在一定时间

内多次测量，可以得到每一种风向出现的频率。 ? 风向频率的计算方法 ——选择观测的时间段，如月、季、年； ——记录每个风向出现的次数ni，及总观测次数n； ——某风向的风向频率= ni/n ×

100

风向
? 风向——来风的方向。通常说的西北风、南风等即表明的就是风向。 ? 陆地上的风向一般用16个方位观测。即以正北为零度，顺时针每转过

22.5°为一个方位。 ? 风向的方位图图示如下。

风向统计规律的表示方法

(图)风向风速玫瑰图

N NNW NW NNE NE

WNW

ENE

W

E

WSW

ESE

SW
SSW S SSE

SE

16个风向的风向玫瑰图

风速频率
对于风力机的安置处，有两个重要的描述风资源的参数：年平均风速和风速频率。 ? 在计算风率时，通常把风速的间隔定为1m/s； ? 风速在某一时间段平均，如10分钟； ? 按风速的大小，落到哪个区间，哪个区间的累加值加1。 ? 把个区间出现的次数除以总次数即得风速频率。

风频（%）

风速统计规律的表示方法

12 11 10

9 8 7 6 5
4
3 2 1 0 0 2 4 6 8 10 12 风速（m/s） 14 16 18 20

风况曲线

20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

根据风况曲线通常可以看出：
? ? ?

一年之中有多少时间低于起动风速而无法起动？有多少小时可以达到额定出力？取多大的切出风速较合适？

可见，风频特性和风况曲线是开发风能的重要原始资料和依据。