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| 風(fēng)形成與風(fēng)能概述 |
| Summary of Wind Energy |
風(fēng)是由空氣流動引起的一種自然現(xiàn)象，空氣流動的主要原因是氣壓差別引起的，空氣由氣壓較高的地方流向氣壓較低的地方。空氣壓力隨高度而減小，在不考慮其他影響時，不同地點在同一高度的氣壓是相同的，空氣不會流動，因為空氣的流動是循環(huán)的，流走的空氣必須由其他空氣來補充。如果兩地點同高度的氣壓不同，則會引起空氣的流動。 太陽輻射熱是造成空氣壓力變化的主要原因，例如地球上各緯度所接受的太陽輻射強度不同，在赤道和低緯度地區(qū)，太陽輻射強度強，地面和大氣接受的熱量多、溫度較高；高緯度地區(qū)地面和大氣接受的熱量小，溫度低。這種高緯度與低緯度之間的溫度差異，北方地面氣壓要高于南方地面氣壓，南北之間的氣壓梯度，驅(qū)使空氣作水平運動。 因太陽輻射熱直接產(chǎn)生的典型風(fēng)類有海陸風(fēng)、山谷風(fēng)、季風(fēng)等，再加上其他地理因素就形成信風(fēng)、臺風(fēng)等類型的風(fēng)。實際上的風(fēng)可能由多種因素造成的，也就是說是以某種為主的兩種或多種風(fēng)組成，在本欄目將對幾種典型風(fēng)類進(jìn)行介紹。 風(fēng)的主要參數(shù)是風(fēng)速與風(fēng)向。 |
| 風(fēng)速 |
我們平常說微風(fēng)、小風(fēng)、大風(fēng)、暴風(fēng)就代表不同的風(fēng)速，風(fēng)速是指空氣在單位時間內(nèi)流動的水平距離，風(fēng)速常用單位是m/s、km/h、knot（海里/小時，又稱“節(jié)”，）表示，其換算關(guān)系如下 |
1m/s=3.6km/h ??????? ?????1knot=1.852km/h 1km/h=0.278m/s ?????? ????1knot=0.514m/s |
在工程與科學(xué)領(lǐng)域是需要準(zhǔn)確的數(shù)值，但平常只把風(fēng)速進(jìn)行簡單的分級，國際上通用的風(fēng)力等級是英國人蒲福1805年擬定的蒲氏風(fēng)力分級表，是根據(jù)風(fēng)對地上物體所引起的現(xiàn)象將風(fēng)的大小分為13個等級（0—12級），其風(fēng)速值是平地上離地10米處的風(fēng)速。1946年以后，又在原表基礎(chǔ)上，作了擴充，增加到18個等級（0—17級），見下表。 |
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蒲氏風(fēng)力分級表 |
在給定時間段內(nèi)風(fēng)速的平均值稱為平均風(fēng)速。例如小時平均風(fēng)速、日平均風(fēng)速、月平均風(fēng)速、年平均風(fēng)速。 |
| 風(fēng)向 |
風(fēng)向是指風(fēng)吹來的方向，例如北風(fēng)就是指空氣自北向南流動。風(fēng)向一般用8個方位表示，分別為：北、東北、東、東南、南、西南、西、西北。 下圖是風(fēng)的方向圖，有16個方位，標(biāo)注有各方向的中英文名稱與角度。 |
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圖1--風(fēng)向的方位圖 |
風(fēng)速與風(fēng)向可通過專用的傳感器進(jìn)行測量，在大型風(fēng)力機上都安裝有風(fēng)速傳感器與風(fēng)向傳感器，根據(jù)風(fēng)速與風(fēng)向的數(shù)據(jù)對風(fēng)力機進(jìn)行控制，使風(fēng)力機工作在最佳狀態(tài)。 |
| 脈動風(fēng)（湍流） |
事實上風(fēng)速風(fēng)向從來就是不穩(wěn)定的，在靠近地面尤其不穩(wěn)定，而且變化是隨機的。把風(fēng)速頻繁變化的風(fēng)稱為脈動風(fēng)，也就是湍流。地面的山體，建筑等會阻礙氣流的運動，使風(fēng)速風(fēng)向發(fā)生變化，甚至產(chǎn)生漩渦，地面的城市建筑、森林的摩擦阻礙低空氣流運動，這就造成了湍流；水平氣流與局部上升的熱空氣相遇也會引起湍流；在風(fēng)電場內(nèi)，眾多的風(fēng)力機的尾流也會引起湍流。 空間某點的脈動風(fēng)速指某時刻該點上的瞬時風(fēng)速與平均風(fēng)速的差值，一般取10分鐘的風(fēng)速平均值為平均風(fēng)速。脈動風(fēng)對風(fēng)力機運行影響較大，特別是風(fēng)速變化時間短的脈動風(fēng)，所以風(fēng)電場要建在脈動風(fēng)較小的地區(qū)。 |
| 風(fēng)能 |
在太陽輻射作用下，空氣沿著水平方向運動，空氣流動所形成的動能就是風(fēng)能。風(fēng)能是太陽能的一種轉(zhuǎn)化形式，是可再生能源中最具開發(fā)前景的一種能源。 風(fēng)能主要主要用于發(fā)電，一個地區(qū)是否適合建風(fēng)電場就要做風(fēng)能資源評估，評估主要依據(jù)是該地區(qū)的風(fēng)功率密度。風(fēng)功率密度是單位時間內(nèi)氣流通過單位垂直投影截面積的風(fēng)能。圖2中截面積S為1平方米，氣流方向與截面垂直，通過S的風(fēng)能就是風(fēng)功率密度。 |
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圖2—風(fēng)功率測量 |
風(fēng)功率密度不能直接測量到，是通過測量得到的風(fēng)速值來計算。 風(fēng)速的測量要在評估區(qū)域建測風(fēng)塔，對于地形較為平坦的風(fēng)場，可選擇一處安裝測風(fēng)塔，對于地形較為復(fù)雜的風(fēng)場，應(yīng)選擇二處及以上安裝測風(fēng)塔；測風(fēng)塔高度應(yīng)不低于擬安裝風(fēng)力發(fā)電機組輪轂中心高度，通常采用高度為50m，70m，100m，120m，在上面安裝風(fēng)速傳感器與風(fēng)向風(fēng)向傳感器。通過風(fēng)速值來計算風(fēng)功率密度，基本算式如下： |
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空氣密度要根據(jù)當(dāng)?shù)氐暮０胃叨取囟鹊葋碛嬎悖ㄕ埩碚覅⒖假Y料）。上面的計算是依據(jù)當(dāng)時的風(fēng)速，作為風(fēng)資源評估要用平均風(fēng)功率密度，即氣流在給定時間內(nèi)通過單位垂直截面積上的平均風(fēng)能。 |
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這樣可計算出日平均風(fēng)功率密度、月平均風(fēng)功率密度、年平均風(fēng)功率密度。對于風(fēng)能資源評估主要依據(jù)年平均風(fēng)功率密度。 風(fēng)電場依靠風(fēng)力發(fā)電，要有足夠的風(fēng)速，風(fēng)電場要求年平均風(fēng)速大于6m/s，年平均風(fēng)功率密度不低于每平方米150W。有關(guān)風(fēng)力機的風(fēng)速問題可參見“垂直軸風(fēng)力機園地”中“風(fēng)能與風(fēng)功率”與“風(fēng)輪尺寸與額定風(fēng)速”章節(jié)。 圖3是來自網(wǎng)絡(luò)的陸上測風(fēng)塔照片。 |
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圖3—陸上測風(fēng)塔 |
圖4是來自網(wǎng)絡(luò)的海上測風(fēng)塔照片。 |
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圖4—海上測風(fēng)塔 |
| 近些年測風(fēng)激光雷達(dá)已在風(fēng)能資源評估中得到應(yīng)用，測風(fēng)激光雷達(dá)放在地面就可測量數(shù)十米至數(shù)千米高的風(fēng)向與風(fēng)速，很是方便，目前由于價格昂貴還未能普及，有關(guān)介紹見多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)課件。 |
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