32
2. 复杂地形对风特性的影响
2.2 粗糙度
防风林带高度对粗糙度等级的影响

V
10min风速标准偏差
10min的平均风速 m/s
i
10min内每一秒的采样值
18
1. 风能资源
1.4 风的特性


风速的垂直梯度：风速随高度变化 风廓线 （wind profile） 风速的频率分布
19
1. 风能资源
1.4 风的特性
风速随高度变化
造成风速的垂直变化的原因 动力因素—地面的摩擦效应，地面的粗糙度； 热力因素—近地层大气垂直稳定度的关系； 当大气层结为中性时，其主要作用的是动力因素. 经验公式：
平均风功率密度和有效风功率密度

平均风功率密度：设定时段内的逐小时风功率密度的 平均值
1 n DWP i3 2n i 1

空气密度(kg/m3)
第i次记录的风速(m/s)
i
有效风功率密度：风速只计切入风速到切除风速之间的
16
风功率密度等级表
10m 高度 风功率 密度 风功率密度 年平均风速 等级 参考值 2 w/m m/s 1 2 <100 100-150 4.4 5.1 30m 高度 风功率密度 w/m2 <160 160-240 50m 高度 年平均风速 参考值 m/s 5.6 6.4 年平均风速 风功率密度 参考值 m/s w/m2 5.1 5.9 <200 200-300
粗糙度等级 0 1 10 m高风速 6.0 6.0 7.2 30 m高风速
3
6.0
8.0
28
2. 复杂地形对风特性的影响
2.1 概述 应拥有的信息


测风数据 地形信息（等高线） 粗糙度信息 障碍物信息 风电机组功率曲线
地形的表示

用1:25000 或1:50000的数字地图 分12个扇区包含上述信息
24
1. 风能资源
1.4 风的特性
25
2. 复杂地形对风特性的影响
2.1 概述 平坦地形应符合下列条件(Frost 和 Nowak) :

在风电场四周11.5km直径范围内任一点，风电场与 周围地形的高差不大于60m 在风电场上风向4km和下风向0.8km内的山丘，其高 宽比不大于1/50


在上风向4km范围内，风机叶片下端离地的高度大于
7.0
7.5 8.0 8.8 11.9
注：1.不同高度的年平均风速参考值是按风切变指数为 1/7推算； 2.与风功率密度上限值对应的年平均风速参考值，按海平面大气压及风速频率符合 瑞利分布推算。 17
1. 风能资源
1.3 风能资源评估的参考判据
湍流强度（风速标准偏差）计算
IT

V
1 600 2 V i 600 i 1
100
73 52 45 39 31 24 18 13
水面
水陆混合地区或很光滑的陆地 非常开阔的农场 农场带有小建筑物、 1250米远有8米高的树篱 农场带有小建筑物的、 800米远有8米高的树篱 农场带有封闭的外观，稠密的植被, 250米远有8米高的树篱 村庄、小城镇，带有高的树篱、森林， 许多突出的地形变化等 大城镇、带有伸展开的建筑的城市， 大城市，带有建筑群和高建筑物
30
2. 复杂地形对风特性的影响
2.2 粗糙度(roughness)

3km处粗糙度对风机出力的影响
31
2. 复杂地形对风特性的影响
2.2 粗糙度
粗糙度等级 粗糙度长度
粗糙度和地表特征的对应关系
风能减少(%) 地形描述
0
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0.0002
0.0024 0.03 0.055 0.10 0.20 0.40 0.80 1.6
1. 风能资源
1.2 风的测量 测量位置


测量位置的代表性 所选测量位置的风况应基本代表该风场的风况； 测量位置附近应无高大建筑物、树木等： 与单个 障碍物距离应大于障碍物高度的3倍； 与成排 障碍物距离应大于障碍物高度的10倍以上； 测量位置应在风场主风向的上风向； 测量位置数量，依地形复杂程度而定。
多树木和森林的农田和乡村
3
0.3
0.28
22
1. 风能资源
1.4 风的特性
风速随高度变化系数
离地面 高度m 10 15 20 25 30 35 40 45 50 α值 0.12 1.10 1.05 1.09 1.12 1.14 1.16 1.18 1.20 1.21 0.142 1.10 1.06 1.10 1.14 1.17 1.19 1.22 1.24 1.26 0.16 1.00 1.07 1.12 1.16 1.19 1.22 1.25 1.27 1.29 离地面 高度m 55 60 65 70 75 80 85 90 100 α值 0.12 1.23 1.24 1.25 1.26 1.27 1.28 1.29 1.30 1.32 0.142 1.27 1.29 1.30 1.32 1.33 1.34 1.36 1.37 1.39 0.16 1.31 1.33 1.35 1.37 1.38 1.39 1.41 1.42 1.45
23
1. 风能资源
1.4 风的特性

风频率分布
通常用风速的频率分布函数f(v)来表示， 模型通常使用最多的是韦布尔分布
kv f (v ) A A
k 1
v k exp A
A 为尺度参数 K 为形状参数 K=2时，称为瑞利分布
8
1. 风能资源
1.2 风的测量
测量参数




风速测量 10min平均风速，用于风能资源计算； 小时平均风速，通过10min平均风速获得； 极大风速, 3秒采样一次的最大值，用于安全计算 风向测量 与风速同步采集 16个扇区 气温 每小时采样一次并纪录 大气压 每小时采样一次并纪录
9
1. 风能资源
东 赤道
带
5
1. 风能资源
1.1 风的形成
季风环流


海陆分布的作用：海洋热容量远大于陆地 冬季：陆地比海洋冷，大陆气压高于海洋； 气压梯度力：大陆->海洋，西北风； 夏季：陆地比海洋热，陆地气压低于海洋； 气压梯度力：海洋->大陆。 地球上5个风带，南北半球对称，北半球3个风带； 夏季均向北移动 、冬季则向南移动； 冬季西风带的南缘地带在夏季可以变成东风带。 地形特征引起 典型：青藏高原，冬夏温度相对周围地区变化大。
1 ln(z / z0 )
α值变化从1/15~1/4，最常用的是1/7，即 α=0.142
21
1. 风能资源
1.4 风的特性

不同地形的粗糙度长度和粗糙度指数
地形类型 粗糙等级 0 1 2 粗糙长度z0(m) 0.001 0.012 0.05 指数α 0.01 0.12 0.16
水面 开阔农村，少地表特性 有楼房和栅栏的农田
测风仪位置
10m高度； 轮毂中心高度； 10m高度整数倍
10m高度； 轮毂中心高度； 其余10m高度整数倍 13
1. 风能资源
1.2 风的测量
IEC61400-12 安装要求
14
1. 风能资源
1.3 风能资源评估的参考判据

风功率密度，蕴含风速、风速分布和空气密度的影响， 是风场的综合指标 风向频率及风能密度方向分布
3


1. 风能资源
1.1 风的形成
大气环流：

气压梯度力 地球绕太阳转，地球表面受热不均，增热程度随纬度 增高而降低，温差引起大气层空气压力不均衡。北半 球空气向北流动。

地球自转偏向力
北半球，气流向右（向东）偏转；
地球偏向力在赤道为零，随着纬度的增高而增大，在 极地达到最大。
4
1. 风能资源
3
4 5 6 7
150-200
200-250 250-300 300-400 400-1000
5.6
6.0 6.4 7.0 9.4
240-320
320-400 400-480 480-640 640-1600
6.5
7.0 7.4 8.2 11.0
300-400
400-500 500-600 600-800 800-2000
1.1 风的形成
大气环流： 大气环流在地球自转偏向力的作用下,形成三圈环流 环流圈伸曲高度：赤道最高，中纬度次之，极地最低 赤道~纬度30°N环流圈 纬度30°~60°N环流圈 北极 纬度60°~90°N环流圈 极地高压带
60度 极地东风带 副极地低压带 副极地低压带 30度 盛 行 西 副热带高压带 北 信 赤道低压带 风 风 带
3倍最大高差h
26
2. 复杂地形对风特性的影响
2.1 概述
平坦地形应符合的条件
R hH 3h h 4km
27
2. 复杂地形对风特性的影响
2.1 概述
不规则地形会改变风的流态 风剪切 风速随高度增加而增加，是表面粗糙度的函数 湍流 叶片的尾流效应 大气边界层厚度(离地面近1000m的高度)，认为气流是 自由的、不受干扰



风速的日变化和年变化
湍流强度 0.10较小, 0.10~0.25中等, >0.25过大。 极大风速（每3s采样一次的最大的风速值） 低气温（气温低于-30） 其他，雷电、电线结冰、沙暴、盐雾
15
DWP
ห้องสมุดไป่ตู้
1 n i3 2n i 1
1. 风能资源
1.3 风能资源评估的参考判据