风电基础知识(4)

利用风频分布及功率曲线进行发电量的估算
14.00% 12.00% 10.00% 8.00% 6.00% 4.00% 2.00% 0.00% 1 3 5 7 9 11 13 15 17 系列1

功率曲线
900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

功率（kW）

风速（m/s）

24

wind speed 1 2 3 4 5

power 0 0 0 17 48

frequency 3.78% 7.14% 9.73% 11.33% 11.91%

hour 331.5060928 625.7325223 852.2990731 992.859038 1043.276101

output 0 0 0 16878.6 50077.25

6
7 8 9 10 11 12 13 14

81
160 257 350 468 566 647 697 745

11.56%
10.49% 8.98% 7.28% 5.61% 4.11% 2.88% 1.93% 1.23%

1012.57446
919.3164568 786.6708703 637.5679693 491.0318826 360.2242114 252.1603474 168.6549321 107.8918617

82018.53
147090.6 202174.4 223148.8 229802.9 203886.9 163147.7 117552.5 80379.44

15
16 17 18 19

772
768 764 749 年标准运行小时

0.75%
0.44% 0.25% 0.13% 2163.158

66.06960026
38.75475391 21.78679337 11.743596 年发电量

51005.73
29763.65 16645.11 8795.953 1622368

2.3 脉动风特性

图脉动风分布规律

2.3 脉动风特性
?2.3.1 脉动风速
椐2.1.2，在近地层风具有明显的阵性，可认为近地层风速是由一个平均分量和脉动分量组成，即：

v?x, y, z, t ? ? v?x, y, z ? ? v f ?x, y, z, t ? ? v? v f ?t ?
v f ?t ? 即脉动风速

?

?

?2.3.2 湍流强度在近地层中，气流具有明显的湍流特征。湍流是一种

不规则随机流动。其速度有快速的大幅度起伏，并随时间、
空间位置而变。定义一个时段的脉动风速相对该时段的平均风速的标准偏差与该平均风速的比值。即：

，称为湍流强度，它是度量相对于风速平均
值而起伏的湍流量的

大小。

湍流强度

湍流强度

均方差

不同设计标准中的湍流强度

风影（Wind Shade ）

Porosity
= 0% = 30% = 50% = 70%

风场中风机排布
正对主风向：间距3－5倍的风轮直径，行距5－9倍的直径

2.3 脉动风特性
2.3.3 功率谱密度
?2.3.3 功率谱密度脉动风速大体服从正态分布规律。脉动速度的平方具有脉动功能的物理意义。风功率谱就是风速脉动振幅的平方随频率变化的图形。对于变量x(t)，功率谱常表示为： S ?? ? ? F ?? ? 2 F ?? ? 为x(t)的频谱，功率谱又称为功率谱密度或能谱密度。利用功率谱分析变量中各种振动分量的振幅大小的方法称为功率谱分析。

2.3 脉动风特性
2.3.3 功率谱密度

图10 近地面处水平风速谱

2.3.3 功率谱密度

该图为近地面处的水平风速谱，该图谱明显地被划分为两个区段：（1）高频区段，它主要是由脉动风所形成，

也称阵风区，其峰值周期约为1-2分钟。（2）低频区段：
它是受大尺度气候系统所控制，其峰值周期约为12小时和4 天，也称大尺度气候区。

2.3 脉动风特性
?2.3.4阵风因子
在工程设计中，根据平均风速估算阵风最大风速的参数。定义为某一选定时段I中的平均风速与另一选定时段 J W m (I )

（J≥I）中的平均风速（J）之比，
即

Wm ( I ) G? W (J )

通常取I=2秒，J=1分钟或2分钟等等。阵风因子随大气稳定度、高度、平均风速、下垫面状况以及平均时段I、J的不同而异。

风能与风能密度
? 风能——风的动能。 ? 计算一年中风能的大小，要考虑风速的分布情

况，而不能简单使用年平均风速。 ? 年有效风能——起动风速到切出风速之间的风能。 ? 有效风能密度——年有效风能除以年有效风速的持续时间。

3、风能资源
3.1风能资源的计算
?3.1.1风能公式
1 W ? ?V 3 F 2

单位：瓦

式中ρ为空气密度，单位kg/m3 V为风速，单位m/s F是气流通过的面积，m2

评价一地风能资源潜力，常用风功率密度：
W ? 1 ?V 2
3

单位：瓦/米2

风机（风轮）吸收的风能 P=(1/2)ρV3ACp
Cp 吸收效率 ρ 空气密度，标准密度：1.225kg/m3 V 风速 A 风轮面积，pD2/4

风特性（习性)总结
? 风是个三维的（脉动）矢量（风速、风向（、湍流）） ? 风在空间分布上的切变特性 ? 风在整数时间序列(Integral time scale/length scale)上的统计特性

长期的统计年平均风速、年风向玫瑰图风频分布（年）(Wind speed probability density functions) 功率谱密度(Power spectral density function) 短期的统计（几秒、几分）湍流强度（turbulence intensity）自相关函数(autocorrelation) ? 物理特性：可压缩流体，低速时假设为不可压缩风的密度（越冷越重，越高越轻，越湿

越轻） ? 风能量特性－正比风速的三次方、风轮直径的平方

IEC标准

风区分类
（用于指导风机设计和应用）

Wind turbine class

I 50

II 42.5 0,16 0,14

III 37.5

S

Vref (m/s)
A B

Iref(-) Iref(-)

Values specified by the designer

C

Iref(-)

0,12

风区分类
GL标准

GL规范一类风区二类风区三类风区四类风区

平均风速年最大风年极限风 50年暴风 50年极限 (m/s) 速(m/s) 速(m/s) 风速(m/s) 风速(m/s) 40.00 56.00 46.50 65.10 10.00 34.00 47.60 39.53 55.34 8.50 30.00 42.00 34.88 48.83 7.50 6.00 24 33.6 27.9 39.1

空气动力学
动量叶素理论
? 假设风为均匀层流

假设空气不可压缩

流量

V1

v

V2

A1

A

A2

风轮尾流不旋转时的动量理论
质量守恒：ρA1 V1= ρA V= ρA2V2

动量定理：T= ρA V(V1－V2)
能量方程：P =1/2 ρA V3cp=1/2 mV12 － 1/2 mV22 V轴向=aV1
,

a 轴向诱导因子

a=1/3时，风能利用系数达到贝兹极限 Cp=0.593 CT 推力系数

风能的利用率

风轮尾流旋转时的动量理论
V1 V

V2

A1

A

A2

当考虑风轮尾流旋转时，风轮轴功率有损失，风轮功率系数要减小。

叶素理论

叶素理论是将风轮叶片沿展向分成许多段（叶素），假设在每个叶素上的流动相互之间没有干扰，即叶素可看成是二维翼型，这时，将作用在每个叶素上的力和力矩沿展向积分，就可求得作用在风轮上的力和力矩。

风力机翼型翼型几何参数

t

相对厚度： t c ?100%

叶素理论
攻角

安装角

叶素理论
? 2 dL ? w c ? dr c L 2

?? ?
A

? 2 dD ? w c ? dr c D 2

?? ?
A

阻力

升力

风力机翼型
翼型升力特性

升力系数CL

迎角α/（°）

风力机翼型
翼型阻力特性
1.5

阻力系数CD

1.0

0.5

0.0 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200

迎角α/（°）

升阻比－极曲线
? 在风力机的设计中往往更关心升力h和阻力的比值 —

—升阻比L/D以及最佳升阻比。通过极曲线（又称艾菲尔曲线）来讨论。

CLmax

CL

?CT

?

有利

?CDmin
CD

CDmin

CD0

?0

? 说明：

——极曲线上的每一点对应一种升阻比及相应的攻角状态，如?0、 ?CDmin、?CT等。
——为了得到最佳升阻比，可从原点作极曲线的切线，由于此时的夹角?最大，故切点处的升阻比CL/CD=tg ?最大，对应的攻角为最有利攻角?有利。

压力中心压力中心：气动合力的作用点，为合力作用线与翼弦的交点。 ——作用在压力中心上的只有升力与阻力，而无力矩。 ——压力中心的位置通常用距前缘的距离表示，约在 0.25倍弦长处。

翼型优化

升阻比举例
Table 1: L/D of Subsonic Jet Aircraft Aircraft (year) Boeing B707-320 波音 Douglas DC-8 麦道 Airbus A320 空中客车 Boeing 767-200 Boeing 747-100 Douglas DC-10 Lockeed Tristar L1011 洛克西德 Douglas DC-9 (1966) Boeing

B727-200 Fokker 50 (1966) Douglas DC-3 (1935) Ford Trimotor (1927) Wright Flyer I (1903) (L/D)max 19.4 17.9 17. 19. 17.7 17.7 17.0 16.5 16.4 16 14.7 12. 8.3

升阻比举例
Table 3: L/D of Some Birds Bird House Sparrow (passer domesticus) 麻雀 Herring Gull (larus argentatus ) 海鸥 L/D 4. 10.

Common Tern (sterna hirundo ) 燕欧
Albatross (diomeda exulans ) 信天翁

12.
20.

雷诺数对翼型气动力特性的影响
? 关于雷诺数

——雷诺数的物理意义：惯性力与粘性力之比。 ——层流与紊流：两种性质不同的流动状态。雷诺数是用来界定两种状态的判据。 ——雷诺数的表达形式： Re=VC/? ——临界雷诺数Recr： Re<Recr 层流 Re>Recr 紊流
? 雷诺数的影响