2022風(fēng)資源的基本理論

PAGEPAGE5風(fēng)資源的基本理論描述風(fēng)的物理量量，常用的概念有：風(fēng)能、風(fēng)功率、平均風(fēng)能密度、有效風(fēng)能密度等。風(fēng)速它表示空氣在單位時(shí)間內(nèi)流過的距離，單位是米/秒或英里/小時(shí)。風(fēng)速要用風(fēng)速者可以用風(fēng)速儀在較短時(shí)間(0.5～1.0s)內(nèi)測得，后者實(shí)際上是某一時(shí)間間隔內(nèi)各瞬時(shí)風(fēng)速的均值，因此就有日平均風(fēng)速、月平均風(fēng)速、年平均風(fēng)速等。風(fēng)向風(fēng)向的測量10～12mEL2.5min，記錄一次瞬時(shí)風(fēng)向，這樣，在室內(nèi)就可以觀測和記錄風(fēng)向。風(fēng)向的表示觀測陸地上的風(fēng)向，一般采用16個(gè)方位(32個(gè)方位22.5°2.1162.1是風(fēng)向的方位圖。表2.116個(gè)方位風(fēng)向符號(hào)風(fēng) 向符號(hào)角度風(fēng) 向符號(hào)角度北N360東北NE45東E90東南SE135南S180西南SW225西W270西北NW315東北偏北NNE22.5東北偏東ENE67.5東南偏東ESE112.5東南偏南SSE157.5西南偏南SSW202.5西南偏西WSW247.5西北偏西WNW292.5西北偏北NNW337.5風(fēng)能風(fēng)能就是流動(dòng)的氣流所具有的動(dòng)能。風(fēng)能的利用主要就是將氣流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為其它形式的能。假定氣流是不可壓縮的(這在風(fēng)能利用的風(fēng)速范圍內(nèi)，是相當(dāng)精確地成立的)[23]，tAE(焦耳)為12E v312

(2-1)tv量的單位采用國際單位制。風(fēng)功率（風(fēng)能公式）在單位時(shí)間內(nèi)流過該截面的風(fēng)能，即為風(fēng)功率，用(2-1)式除以相應(yīng)的時(shí)間t，得到12W v312

(2-2)單位為千克秒從(2-2)式可見，風(fēng)能大小與氣流通過的面積、空氣密度和氣流速度的立方成正比。PAGEPAGE7決定性作用。平均風(fēng)能密度風(fēng)能密度是氣流在單位時(shí)間內(nèi)垂直通過單位截面積的風(fēng)能。將(2-2)式除以相應(yīng)的面積A，便得到風(fēng)功率密度公式，也稱風(fēng)能密度公式w12v3

(2-3)由于風(fēng)速隨時(shí)間的變化是隨機(jī)的，通常無法用—個(gè)函數(shù)形式給出v(t)的表達(dá)式，因此通過式(2-3)很難求出平均風(fēng)能密度。這時(shí)，我們只能用觀測的離散值近似地求出(2-3)式的值，即w'2N

N

(2-4)ii其中，N為T時(shí)間內(nèi)共進(jìn)行的觀測次數(shù)，vi為每次的觀測值，Ni為該風(fēng)速等級(jí)在Tii時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)。有效風(fēng)能密度1212wiv1

v3f'(v)dv

(2-5)式中w為有效風(fēng)能密度；v起動(dòng)風(fēng)速，vfv為有效風(fēng)速范圍內(nèi)i 1 2的條件概率分布密度函數(shù)，它與風(fēng)速分布密度函數(shù)f(v)的關(guān)系是：f'(v)

f(v) f(v1vv2)

f(v)f(vv2)f(v

(2-6)(2-4)(2-5)(2-6)風(fēng)的時(shí)空變化參數(shù)都是在變化的。下面主要討論與風(fēng)資源評(píng)估相關(guān)的風(fēng)隨時(shí)間和高度的變化。風(fēng)隨時(shí)間的變化風(fēng)隨時(shí)間的變化，包括每日的變化和月的變化。風(fēng)速的日變化100～150m2.276風(fēng)速（m/s)5風(fēng)速（m/s)4321021222301234567891011121314151617181920時(shí)間(t)圖2.2 風(fēng)速的日變化風(fēng)速的月變化風(fēng)最強(qiáng)，春季季風(fēng)最弱。2.399到很好的補(bǔ)充作用。風(fēng)隨高度的變化從空氣運(yùn)動(dòng)的角度，通常將不同高度的大氣層分為三個(gè)區(qū)域（42m100～1000m2.5所示。氣溫變化情況的不同而有所差異。PAGEPAGE10風(fēng)速隨高度而變化的經(jīng)驗(yàn)公式很多，通常采用指數(shù)公式，即hvv1h

（2-7）1式中v——距地面高度為h處的風(fēng)速，m/s；v1——高度為h1處的風(fēng)速，m/s；——風(fēng)切變指數(shù)，它取決于大氣穩(wěn)定度和地面粗糙度，其值約為1/2～1/8。對(duì)于地面境界層，風(fēng)速隨高度的變化則主要取決于地面粗糙度，這時(shí)一般取地面粗糙度作為風(fēng)切變指數(shù)。不同地面情況的地面粗糙度α如表2.2所示。表2.2不同地面情況的地面粗糙度α地面情況粗糙度α光滑地面，硬地面，海洋0.1草地0.14城市平地，有較高草地，樹木極少0.16高的農(nóng)作物，籬笆，樹木少0.2樹木多，建筑物極少0.22-0.24森林，村莊0.28-0.30城市有高層建筑0.4影響風(fēng)速的主要因素垂直高度。由于風(fēng)與地表面摩擦的結(jié)果，所以風(fēng)速是隨著垂直高度的增加而300m地形地貌。風(fēng)速受地形地貌的影響，比如，山口風(fēng)速比平地大多少，則要視定。地理位置。由于地表摩擦阻力的作用，所以海面上的風(fēng)比海岸大，而沿海的4~6/sm％[27。障礙物。風(fēng)流經(jīng)障礙物時(shí)，會(huì)在其后面產(chǎn)生不規(guī)則的渦流，致使流速降低，1010倍以上。風(fēng)的統(tǒng)計(jì)特性的考慮，都有一定的參考價(jià)值，為此要研究風(fēng)的統(tǒng)計(jì)特性。風(fēng)向頻率()風(fēng)向觀測的1002.3是海力素風(fēng)電場全年的各風(fēng)向累積小2.6是其風(fēng)向頻率的玫瑰圖(PAGEPAGE12位，顯然圖示比列表要直觀得多。表2.3海力素風(fēng)電場全年的各風(fēng)向累積小時(shí)數(shù)和平均風(fēng)向頻率風(fēng)向NNNENEENEEESESESSES小時(shí)數(shù)(h)24243637431631352210261366636頻率（％）2.764.984.273.613.575.9611.7115.597.26風(fēng)向SSWSWWSWWWNWNWNNWC小時(shí)數(shù)(h)86679792134418811821580頻率（％）9.899.1010.513.932.151.352.450.91NNNNW20.00%15.00%NNENWNE10.00%WNWENE5.00%W0.00%EWSWESESWSESSWSSES圖2.6 海力素風(fēng)電場的測站全年風(fēng)向頻率玫瑰（10m）風(fēng)速頻率2.42.7特性(fv的關(guān)系)年中某一風(fēng)速的小時(shí)數(shù)；比如v＝4m／sf＝18％，那么該風(fēng)速的小時(shí)數(shù)為：0.18×8760＝1576.8h。表2.4 海力素風(fēng)電場的風(fēng)速頻率風(fēng)速(m/s)12345678910風(fēng)速頻率(%)4.67.010.518.019.716.02.3風(fēng)速(m/s)11121314151617181920風(fēng)速頻率(%)0.00.00.00.0圖2.7海力素風(fēng)電場測站全年16個(gè)方向風(fēng)速頻率圖(10m高度)布爾(weibull)分布。風(fēng)速的瑞利分布模型瑞利分布的公式如下：f(v) v2

v2e 2

（2-8）式中v——風(fēng)速；——風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差。1414令2

2(v)2

[27]則有如下計(jì)算公式：

h(v)8760 vek2(v)2

（2-9）其中，h(v)――不同風(fēng)速下的小時(shí)數(shù)；v——風(fēng)速；v——風(fēng)速平均值；v23.1416；

e2.718k 。4v 4v這個(gè)公式給出了：當(dāng)在某一地點(diǎn)的風(fēng)速平均值為v時(shí)，在一年內(nèi)，風(fēng)速為v所對(duì)應(yīng)的小時(shí)數(shù)。威布爾分布模型威布爾分布是一種單峰的，兩參數(shù)的分布函數(shù)法。其概率密度函數(shù)可表達(dá)為：kvkvkf(v)cc expc

（2-10） 式中，k和c為威布爾分布的兩個(gè)參數(shù)，k稱作形狀參數(shù)，c稱作尺度參數(shù)。當(dāng)c＝1時(shí)，稱為標(biāo)準(zhǔn)威布爾分布。形狀參數(shù)k的改變對(duì)分布曲線型式有很大影響，這可以清楚地從圖2.8看到。ff(v)2.01.51.00.50.0

0.010.370.010.370.731.091.451.