风力发电原理2012第二章.ppt

1、 华北电力大学控制与计算机工程学院华北电力大学控制与计算机工程学院第二章风能及其转换原理1n本章内容本章内容2.1 2.1 风的形成及其特性风的形成及其特性2.2 2.2 风的测量与估计风的测量与估计2.3 2.3 风能资源评估及风电场选址概述风能资源评估及风电场选址概述2.4 2.4 风能转换基本原理风能转换基本原理2.5 2.5 风力机运行特性风力机运行特性22.1.1风的形成及其基本特性风的形成及其基本特性n风：指空气相对于地球表面的运动，是由于大气中热力和动力的空间不均匀性所形成的。n大气边界层：受地表摩擦阻力影响的大气层。按高度分成三个区域：底层、下部摩擦层、上部摩擦层。n边界层空气

2、在高度方向上特点：n空气上下对流运动n水平运动速度随高度变化n风向随高度变化n大气湍流特性随高度变化2.1风的形成及其特性大气边界层大气边界层1.风的形成32.风的尺度n小尺度：空间数米到数千米，时间数秒到数天。n中尺度：空间数千米到数百千米，时间数分钟到一周。n天气尺度：空间数百千米到数千千米，时间数天到数周。n行星尺度：空间数千千米以上，时间数周。气流运动的空间和时间尺度43.风的大小n风的大小通常指风速的大小。风速和风向在时间、空间上的变化均是随机的。n通常把风看作是由平均风和脉动风两部分组成。风速和风向时间历程曲线53.风的大小n某地点平均风速的大小除取决于时距外，还与所测点的高度有关

3、，我国规定的标准高度为10m。n风力等级是依据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象确定的。n国际上采用的风速等级是1805年英国人蒲福拟定的。在1946年，人们又把第12级（飓风）分为6级。表见下页。6风力级数名 称海面状况海洋船只征象陆地地面征象相当于空旷平地上标准高度10米处的风速（米/秒）海浪一般(米)最高(米)0静风静静，烟直上 00.21软风0.10.1平常渔船略觉摇动烟能表示风向，但风向标不能动0.31.52轻风0.20.3渔船张帆时，每小时可随风移行23公里人面感觉有风，树叶微响，风向标能转动1.63.33微风0.61.0渔船渐觉颠簸，每小时可随风移行56公里树叶及微枝摇动不息

4、，旌旗展开3.45.44和风1.01.5渔船满帆时，可使船身倾向一侧能吹起地面灰尘和纸张，树的小枝摇动5.57.95清劲风2.02.5渔船缩帆（即收去帆之一部）有叶的小树摇摆，内陆的水面有小波8.010.76强风3.04.0渔船加倍缩帆，捕鱼须注意风险大树枝摇动，电线呼呼有声，举伞困难10.813.87疾风4.05.5渔船停泊港中，在海者下锚全树摇动，迎风步行感觉不便13.917.18大风5.57.5进港的渔船皆停留不出微枝拆毁，人行向前，感觉阻力甚大17.220.79烈风7.010.0汽船航行困难建筑物有小损（烟囱顶部及平屋摇动）20.824.410狂风9.012.5汽船航行颇危险陆上少见，

5、见时可使树木拔起或使建筑物损坏严重24.528.411暴风11.516.0汽船遇之极危险陆上很少见，有则必有广泛损坏28.532.612飓风14.0海浪滔天陆上绝少见，摧毁力极大32.736.91337.041.41441.546.11546.250.91651.056.01756.161.272.1.2全球性的风全球性的风n大气环流是全球范围内，由于太阳辐射不均匀，产生赤道和极地的温度和气压差异，导致的赤道上空的热空气向极地运动，而极地地面的冷空气向赤道运动的循环状态。n1856年，美国人费雷尔提出了更接近实际的“三圈环流”大气运动模型。1.大气环流三三圈圈环环流流示示意意图图82.季风n季

6、风是随季节变化的风，是在较大的范围内，盛行风向随季节明显变化的反映。n季风形成的主要原因是海陆比热不同而造成的热力差异，从而形成了大尺度的、随着季节交替变化的局部热力环流。一般以年为周期。n全球性的风中，出了大气环流和季风以外，还有急流和大气长波现象。92.1.3地方性的风地方性的风1.海陆风a)海风的形成 b)陆风的形成海陆风形成示意图102.山谷风谷风的形成示意图 山风的形成示意图 山谷风形成示意图113.焚风a)山前有降水情况 b)山前无降水情况焚风形成示意图122.1.4平均风 平均风速是指在某一时间间隔中，空间某点瞬时水平方向风速的 数值平均值，用下式表示。1平均风速风能计算常用10

7、分钟（或1小时）平均风速 132平均风速随高度变化规律 1）对数率变化 z 距地高度（米）；z 0 地表粗燥长度（米），其取值由下表给出：地形沿海区开阔场地建筑物不多的郊区建筑物较多的郊区大城市中心z0/m0.0050.010.030.100.200.400.801.202.003.00142平均风速随高度变化规律 2）指数率变化 153平均风速随时间变化规律 1）平均风速的日变化 由于太阳照射引起地面受热的昼夜变化，导致平均风速在每天范围内也发生相应变化。平均风速的日变化平均风速的日变化163平均风速随时间变化规律 2）平均风速的月变化 下图是位于中纬度某地平均风速月变化实测曲线。平均风速的

8、月变化情况不同地区会有很大不同，很难找出一般规律。平均风速的月变化平均风速的月变化173平均风速随时间变化规律 3）平均风速的季度变化平均风速的季节变化平均风速的季节变化在世界上几乎所有地区，一年内的平均风速都随着季节发生明显规律性的变化。我国大部分地区，最大风速多在春季，而最小风速多在夏季。184平均风速分布 1）威布尔分布:2）瑞利分布:是威布尔分布在k=2时的特例式中：k形状系数，c尺度系数 某地的平均风速概率密度曲线某地的平均风速概率密度曲线 威布尔分布函数概率密度曲线威布尔分布函数概率密度曲线195平均风向 最常用的方法是把圆周360分成16个等分，每一个方位范围是22.5。风向方位

9、图风向方位图205平均风向 某一风向在一年或一个月中出现的频率常用风向玫瑰图表示。Na）形式）形式1 b）形式）形式2风向玫瑰图风向玫瑰图212.1.5脉动风脉动风速为瞬间风速与平均风速的差值，因此，其时间平均值为零：1脉动风速脉动风速的概率密度函数非常接近于高斯分布或正态分布。概率密度函数:把脉动风看作平稳随机过程，即可用某点长时间的观测样本来代表整个脉动风的统计特性。这里仅介绍其风速、湍流强度和阵风系数。22不同高度处的风速时间历程曲线 1脉动风速下图是某处不同高度风速的时间曲线。由图可知，脉动风速随高度的减小而增加，这是由于越接近地面受地貌特征及湿度分布影响越大造成的。23湍流强度用来描

10、述变化的程度，反映脉动风速的相对强度2.湍流强度三个正交方向上瞬时风速分量的湍流强度 u，v，分别为三个正交方向上的脉动风速分量 一般uv。在工程中，我们主要考虑纵向湍流强度u Z 离地面高度,地表粗糙长度 24下图分别给出了纵向湍流强度随高度和地表粗糙度长度变化的曲线。由图可知，纵向湍流强度随高度的增加而减小，随地表粗糙度长度的增加而增大。2.湍流强度纵向湍流强度随高度的变化曲线纵向湍流强度随高度的变化曲线纵向湍流强度随地面粗糙长度的变化曲线纵向湍流强度随地面粗糙长度的变化曲线25在结构设计中，需要考虑阵风的影响，因此，引入阵风系数G。阵风系数是指阵风风速与平均风速之比，它与湍流强度有关。湍

11、流强度越大，则阵风系数越大；阵风持续时间越长则阵风系数越小。有关文献给出了如下表达式：3.阵风系数式中 u 纵向湍流强度；T 阵风持续时间 262.1.6极端风1）热带气旋 2）寒潮大风3）龙卷风1.极端风种类2.重现期若重现期为N，则超过设计最大风速的概率为，保证率就为 取一个大于各年份最大风速平均值的风速作为设计最大风速。从统计学的角度，这个风速要间隔一段时间才出现一次，这段间隔时间叫重现期。273.最大风速概率分布 a 尺度参数；b 位置参数 分布函数：某地年最大风速的累积分布曲线 284.设计最大风速式中，保证系数 重现期N/年30501001000保证率p0.9670.9800.99

12、00.999保证系数2.202.593.144.94设计最大风速可用最大风速累积分布函数来求取。设计最大风速为不同重现期不同重现期N下的保证系数下的保证系数292.1.7地形地貌对风的影响1)地面建筑物地面建筑物对风速的扰动区范围大小取决于建筑物的形状（宽高比）。建筑物形状B/H下游距离5H10H20H风速降低/（%）湍流增强/（%）风速降低/（%）湍流增强/（%）风速降低/（%）湍流增强/（%）43625147513241511540.51114512-0.332.52.51.30.75-0.2522.510.50-尾流区高度1.5H2.0H3.0H注：B为建筑物宽度，H为建筑物高度建筑物形

13、状对下游风特性的影响 建筑物对风特性的影响建筑物对风特性的影响302)地形地形对风速分布的影响更大。山丘、山谷、盆地等不仅会改变风的速度分布，还会使风向产生较大的变化。不同地形平地平均风速/（m/s）3568山间盆地0.950.850.850.70弯曲河谷0.800.700.700.60山脊背风坡0.900.800.800.70山脊迎风坡1.201.101.10峡谷口或山口1.401.301.20不同地形与平坦地面风速比值不同地形与平坦地面风速比值313)海上风特性 海上年平均风速的威布尔分布形状系数比陆地大，平均风速随高度的变化比较平缓，湍流强度相对较低，风向也比较稳定。海面对平均风速概率分

14、布曲线的影响海面对平均风速概率分布曲线的影响海面对风速廓线的影响海面对风速廓线的影响32基本要求：风资源测量时，通常按照下表所列项目进行。所有参数应每1s或2s采样一次，计算平均值时，标准时间间隔为10min。测量风速时要在多个高度测量，以确定风的切变特性。测风时间应至少连续一年以上，2.2风的测量与估计项目测量参数记录值基本参数风速/(m/s)平均值，标准偏差，最大/最小值风向/()平均值，标准偏差气温/C平均值，最大/最小值可选参数太阳辐射/(W/m2)平均值，最大/最小值垂直风速/(m/s)平均值，标准偏差大气压/hPa平均值，最大/最小值温度变化/C平均值，最大/最小值332.1.1风

15、向测量 n风向标：尾翼、指向针、平衡锤及旋转轴 n风向信号产生：环形电位计、码盘大型风力发电机组上的风向标 34风速测量 n旋转式风速计1.风杯2.螺旋桨叶风杯 螺旋桨式 a数值即为起动风速;N是风速计转速;通常cb(cb10-4)3536n风能资源大小常用风能密度来表示。n风能密度是指垂直于风向，单位面积上，单位时间流过的空气的动能（功率密度），计算公式为：n平均风能密度 n)风能估计n平均功率密度的数学期望(均值)2.2.3风能估计有：令 结论：风能密度仍然符和威结论：风能密度仍然符和威布尔分布。估计平均风能密布尔分布。估计平均风能密度，就变成了对参数度，就变成了对参数c，k的的估计。估计

16、。K形状系数，C尺度系数 37n最小二乘法估计 风能估计（c和k的估计）取对数：令 b=K，则：K=b 得到的风速出现范围划成n个风速区间,统计各风速间隔出现的频率f1fn,计算累计频率P1=f1,P2=P1+f2 38取n平均风速和标准差估计 风能估计（c和k的估计）通常用如下近似关系式求解K 在应用中，我们用平均风速来估计 和 39n平均风速和最大风速估计风能估计（c和k的估计）由 有为在时间段T内观测到的10min平均最大风速，它出现的概率为 K值通常在1.02.6之间，此时 因此:40n年均有效风能估计 风能估计年平均有效风能是指一年中在有效风速范围内的风能的平均密度，可用下式计算 有效风速范围(目前通常为3m/s25m/s),为有效范围内的概率分布函数 (在应用中，可以用数值积分的办法得到)41指标丰富区较丰富区可利用区贫乏区年有效风能密度W200200150150100100风速3ms年累计时数h500050004000400020002000风速6ms年累计时数h2000220015001500350350占全国面积百分比8185024高度10m30m50m风 功 率 密