2.5　風的特性

風速和方向隨時間連續地發生變化，能量和功率也隨之發生改變，表現出了極大的隨機性。這種變化存在短期波動，也存在晝夜變化和季節變化。

2.5.1　風速

風速是描述風特征的一個重要參數。圖2-14所示為在30s內風速變化曲線，可以看出，風速在5.1～7.2m/s范圍內波動，這種波動表現出極大的隨機性。風速的短期變化主要由當地的地理和氣候引起。

圖2-15所示條形圖表示了某地區晝夜24h的風速變化規律。晝夜速度改變主要由海上和陸地表面之間的溫差引起。從圖2-15中可以看出，普遍規律是白天的風較強，晚上的風較弱。應當指出，圖2-15這樣晝夜風速變化規律對風力發電非常有利，因為白天用電負荷比夜間用電負荷要大得多。

圖2-16所示為某地區一年12個月的風速變化情況。由于地球的傾斜和橢圓形繞日軌道，導致各個季節風速不同，其主要原因是一年中白天的變化。這種效應在兩極處更加突出。由年風速-時間曲線可以得到年平均風速，年平均風速可以簡單初步地衡量一個地區的風資源狀態。

2.5.2　風向

風向是描述風特性的又一重要參數。氣象上把風吹來的方向定為風向。

風來自北方，稱為北風；風來自南方，稱為南風。氣象臺預報風時，把風向在某個方向左右擺動不能確定時，則加以“偏”字，如在北風方位左右擺動，則稱為偏北風。風向測量單位，陸地一般用16個方位表示，海上則多用36個方位表示。若風向用16個方位表示，則用方向英文首字母的大寫組合來表示方向，如北東北（NNE）、東北（NE）、東東北（ENE）、東（E）、東東南（ESE）、東南（SE）、南東南（SSE）、南（S）、南西南（SSW）、西南（SW）、西西南（WSW）、西（W）、西西北（WNW）、西北（NW）、北西北（NNW）、北（N）。靜風記“C”。風向是風電場選址的一個重要參考因素。若欲從某一特定方向獲取所需的風能，則必須避免此氣流方向上存在任何的障礙物。

早期用風向儀中的風向標來確定風向?，F在，大多數風速儀可同時記錄風向和風速。圖2-17所示為一典型的風向儀裝置，由尾翼、指向桿、平衡錘及旋轉主軸四部分組成的首尾不對稱平衡裝置。風向儀可以測定風向，一般安裝在離地面10m高度的測風塔上，如果附近有障礙物，則風向儀至少要高出障礙物6m高度。

定義在一定時間內各種風向出現的次數占所觀測總次數的百分比為風向頻率。

風速頻率反映了風速的重復性，指在一個月或一年的周期中發生相同風速的時數占這段時間刮風時數的百分比。

風速和風向的信息都可以風玫瑰圖的形式呈現。風玫瑰圖表示不同方向的風特性分布示意圖，該示意圖被劃分成8、12甚至16等分的空間區域來表示不同的方向，根據各方向風特性出現的頻率按相應的比例長度繪制在該圖上，如圖2-18所示。

風頻玫瑰圖可表示三類信息：①盛行風向，根據當地多年觀測資料的年風向玫瑰圖，風向頻率較大的方向為盛行風向，以季度繪制的風玫瑰圖可以呈現出四季的盛行風向；②風向旋轉方向，在季風區，一年中風向由偏北逐漸過渡到偏南，再由偏南逐漸過渡到偏北，也存在一些地區，風向不是逐步過渡而是直接交替，風向旋轉不存在；③最小風向頻率，指與兩個盛行風向對應軸大致垂直的兩側為風向頻率最小的方向，當盛行風向有季節風向旋轉性質時，最小風向頻率應該在旋轉方向的另一側。

用同樣的方法表示各方向的平均風速，稱為風速玫瑰圖。用相同方法表示不同方向獲取的能量，稱為風能玫瑰圖。圖2-18所示為某一場址的風頻玫瑰圖、風速玫瑰圖和風能玫瑰圖。

2.5.3　湍流

風速特性的觀察記錄表明，風具有湍流特性，即風向和風速在不停地發生改變。甚至在極短的時間內，會有相當大的變化，這種在極短的時間產生的50%或者更高的風速突變為陣風。突變的風速有時增大，有時減小。通常把速度突然減小的陣風稱為負陣風。

圖2-19所示為8min內風速風向隨時間的瞬時變化過程。對于風力機而言，計算載荷、設計功率調節系統和設計對風系統等，都需要準確地了解瞬時風速、風向的變化。

風向和風速的瞬時變化可以看成是均勻氣流和旋流的疊加。一個切向速度Δv的簡單旋流，被速度為vm的均勻氣流所夾帶，其方向和速度的變化規律為

當vm和Δv的方向相同時，速度最大；當vm和Δv的方向相反時，速度最小。據實際統計，Δv/vm的值一般為0.15～0.4。設Δv的大小固定，則可寫為

由此可得

設β為vm和瞬時風速v之間的最大夾角，則風向波動的最大幅度為

觀察表明，風速、風向在垂直方向的變化很小，僅為水平方向變化的1/10～1/9，所以在風能利用中應該更加關注風在水平方向上的速度波動。

在實際測試風的紊流脈動變化時，應有足夠快的采樣速度（最小1Hz），且常采用標準差與某一測試時間內平均值的關系式來計算脈動，即

典型的紊流特性是在平均風速的上下10%～20%內浮動。

在某一時間段內，最大風速估算的理論公式為

風向突變在暴風雨發生前更加明顯。表2-2給出了一組風場實測的風向數據。這種情況出現的時間頻率為2年/次，故在設計風力機時，必須計算幾分鐘內180°的風向突變及相應的風速突變。

對于風速突變，要考慮陣風的產生。通常用陣風系數G來表示陣風的大小，即最大風速vmax對于平均風速vm的比值，。一般定義是陣風風速與時距10min的平均風速之間的比值，以確定任意給定時間內的最大（最?。╆囷L風速。一般地，湍流強度越大，陣風系數也越大；陣風持續時間越長，陣風系數越小。在氣象學中，常用陣風系數G以及陣風時間t來描述陣風。陣風大小取決于平均時間、采樣速率、采樣頻率、平滑性、風杯常數或預平均值等，見表2-3。

在風能計算中，陣風的考慮僅限于風速的最大值。對于載荷計算和控制系統設計時，則主要考慮陣風隨時間的變化過程。陣風系數必須在陣風之前確定下來，平均時間的長短取決于陣風的大小，陣風對風力機影響還應考慮風力機容量的大小。

陣風系數用于對陣風變化過程的分析，風能梯度用來定義陣風能量的變化速率。圖2-21表示某海岸風速與所有陣風的風能梯度值的統計平均值關系。圖2-21縱坐標表示單位過風面積上的風能量梯度變化，即風能變化率。從圖2-21中看出，對于19～ 20m/s平均風速的陣風，具有近5000W/（m2·s）的風能變化率，當直徑25m的風力機遇到這樣的陣風，需要在1s內將2453kW多余的功率卸掉。