2.7　風速測量

準確地把握風能特性對風電項目的規劃和實施至關重要，所需基本信息包括不同時間段盛行風的風速和風向。從氣象站獲取的風能數據能更好地幫助理解風電場風譜。但是，為了對風電場風能特性進行精確的分析，必須采用精確而可靠的儀器來測量風速和風向。

2.7.1　生態指標

風成特征為地表由于持續強風而形成的自然特征。沙丘形態就是典型的例子。沙粒被風吹起，在風速較低時落下。被風吹動沙粒的大小和移動距離的特征，可以表征當地風力強度大小，為風電場選址提供參考。其他風成特征案例還有干鹽湖、沉積柱和風沖刷等，這些都可以用來作為風電場選址的參考。

另一種風電場選址的方法是遵守生態指標。樹木和灌木會因強風沖刷而變形，變形程度和特征取決于風力強度。此方法特別適合判斷山谷、沿海和山區的風。根據側面形狀，圖2-22歸類了樹受風影響的八種變形特征：無變形、沖刷、輕微旗形化、中度旗形化、強旗形化、切邊及旗形化、傾倒及旗形化、完全旗形化。當風向比較單一，即當地只有一種盛行風向時，樹木面迎盛行風向的一側由于經常受較大風速吹襲，水分蒸發大大加速而使新生枝芽生長緩慢以至枯萎；而背風一側仍能繼續生長，從而使樹形發生不對稱，氣象學上稱之為風成偏形樹。

風沖刷是指背風處的枝條，當葉子落下時可清晰地看到風沖刷的痕跡。這種風是微風，對風力發電來說無利用價值。旗形化為樹枝被刮到背風處，樹木側面看像一面搖擺的旗幟一樣。因風速變動而帶來的旗形化效應對風力發電來說是有價值的。對于傾倒和旗形化形態，在強風效應下，樹的主干和樹枝向下風向傾倒，這是強風效應。對于切邊風，由于其為強勁的風，主干的樹枝被壓迫而難以長到正常的高度。完全旗形化表示，由于極強的風，使得樹木無論從俯視圖還是側視圖都近似一面旗幟。

基于這些變形，風的強度采用七分制，如圖2-22所示，顯示了樹干的頂部和迎風部的形狀。但應該指出的是，這種變形的程度應當隨樹種的改變而變化。所以，這種方法適用于校準某一固定的樹木品種在長時期內的風能數據。一旦這種校準確定了，風速范圍則可基于生態指標直接估計出來。

2.7.2　風速儀

從生態指標和氣象站獲取的風速數據，可以幫助設計者找到合適的風電場場址。但最終場址的確定基于短期的實地測量。應利用安裝在測風塔上的風速儀來測量風速。測風塔高度為風力機輪轂高度，能避免因地表面剪切風而需進一步修正風速。功率隨風速的變化很敏感，故要求在測量風速時，采用敏感、可靠、正確校準且質量好的風速儀。

風速儀類型有多種。根據工作原理，可分為旋轉式風速儀（杯狀風速儀和螺旋槳式風速儀）、壓力類風速儀（壓力管風速儀、壓板風速儀和球狀風速儀）、熱電風速儀（熱線風速儀和熱板風速儀）、相移風速儀（超聲波風速儀和激光多普勒風速儀）。

1.杯狀風速儀

最常用的風速儀是杯狀風速儀。這種風速儀由三個風杯與短軸連接，等角度地安裝在垂直的旋轉軸上，如圖2-23所示。風杯的外形或者是半球形的，或者是圓錐狀的，由輕質材料制成。圖2-23所示為圓錐狀的杯狀風杯，杯狀風速儀是一個阻力裝置，當置于流場中時，風能會使得杯狀物有阻力，該阻力用下式表示

凹面的阻力系數比凸面的高，故凹側風杯受到更大的阻力，阻力差驅動風杯繞中心軸旋轉。轉軸下部驅動一個被包圍在定子中的多極永磁體。指示器測出隨風速變化的電壓，顯示出對應的風速值。當風速達1～2m/s時，風杯式風速儀就可以起動，旋轉速度與風速成正比。

杯狀風速儀能適應多種惡劣的環境，隨風很快加速，使其停止轉動的速度卻很慢。風杯達到勻速轉動的時間要比風速的變化來得慢，存在滯后性，這種現象在風速由大變小時較為突出。如當風速從較大值很快地變為零時，因為慣性作用，風杯將繼續轉動，不能很快停下來。這種滯后性使得杯狀風速儀測量的瞬時風速并不可靠。同時，這種滯后性消除了許多風速脈動現象，使得風速儀測定平均風速比較好。試驗證明：三杯比四杯好，圓錐形比半球形好，因為阻力和密度成正比，空氣密度稍有改變，都會影響測量速度的準確性。

2.螺旋槳式風速儀

類似于水平軸風力機工作原理，有主要靠升力工作的螺旋槳式風速儀，結構如圖2-24所示。槳葉式風速儀是由多片槳葉按一定角度等間隔地裝在一垂直面內，能逆風繞水平軸轉動，其轉速正比于風速。槳葉有平板葉片的風車式和螺旋槳式兩種。最常見的是由三葉或四葉式螺旋槳，裝在形似飛機機身的流線形風向標前端，風向標使葉片旋轉平面始終對準風向。葉片由輕質材料制成，如鋁或碳纖維熱塑料。槳葉旋轉方向始終正對風向，在流向平行于軸的氣流中，槳葉受到升力，從而使螺旋槳以與風速成正比的速度旋轉。

3.壓板風速儀

一種利用壓力來測量風速的儀表是壓板風速儀，在1450年由Leon Battista Alberti發明，并由Robert Hooke（1664）和Rojer Pickering（1744）進一步完善。壓板風速儀有一個裝在水平臂上，可圍繞水平臂轉動的擺動盤。擺動盤通過舵臂安裝在可自由旋轉的垂直軸上，如圖2-25所示。風向標使得擺動盤始終垂直于氣流。垂直于平板的氣流可看作一個整體，則平板所受的壓力p為

壓力p使擺動盤向內旋轉，其向內擺動的幅度取決于風的強度，故擺動板可用來直接校準風速。而且，壓板風速儀適合用來測量大風。

4.壓力管風速儀

另一種利用壓力來測風速的風速儀是壓力管風速儀。圖2-26所示為壓力管風速儀的結構簡圖，根據不可壓縮流體的伯努利方程得出

同樣，在垂直于風的管子里，壓力為

用p1減去p2，化簡得出

因此，通過測量兩個管子內的不同壓力，即可得出風速。C1、C2值可根據儀器查出。壓力通過標準壓力表或壓力傳感器測得。壓力管風速儀的主要優勢是沒有運動部件，但在開放的地區，如有灰塵、潮濕的和有昆蟲的地方測量會影響精度。

最常用的壓力管風速儀為皮托管。由法國工程師Pitot發明，由總壓探頭和靜壓探頭組成，利用空氣流的總壓與靜壓之差即動壓來測量風速。圖2-27所示為L形皮托管的結構示意圖，根據不可壓縮流體的伯努利方程，流體參數在同一流線上的關系式為

由式（2-23）可得

可見，只要已知該地空氣密度ρ，并測得流動空氣的總壓p0和靜壓p，或兩者之差p0-p，即可按式（2-24）計算風速v，這就是皮托管測風速的基本原理。

考慮到總壓和靜壓的測量誤差，利用測量讀數進行風速計算時，應作適當的修正。為此，引入皮托管的校準系數ζ，可將式（2-24）改寫為

合理地調整皮托管各部分的幾何尺寸，可以使得總壓、靜壓的測量誤差接近于零。例如，圖2-27所示的標準皮托管是迄今為止最為完善的一種，其校準系數為1.01～1.02，且在較大的流動馬赫數Ma和雷諾數Re范圍內保持定值。圖中的0.1d處為風的靜壓取壓小孔。

5.超聲波風速儀

超聲波風速儀通過感應空氣中音速的變化來測量風速，結構如圖2-28所示。超聲波風速儀設置三個手臂，彼此垂直安裝，在臂端安裝了傳感器，通過空氣向上或向下發出聲波信號。運動空氣中的聲速不同于靜止空氣中的聲速。用vS表示靜止空氣中的音速，v表示風速，則若聲音和風向同一方向移動，由此產生的聲波速度v1可表示為

同樣，如果聲波的傳遞與風向相反，則由此產生的聲波速度v2可表示為

根據式（2-26）和式（2-27）可得出

因此，在上下移動時通過測量傳感器尖端間的聲波速度，則可計算出風速。超聲波風速儀沒有可移動部件，在0～65m/s范圍內測出的風速是可靠且準確的。但是，超聲波風速儀比其他類型的風速儀昂貴。

2.7.3　風速表的標定

為了運行可靠，盡可能地減小風速表的測量誤差，有必要對風速儀進行定期標定。校準就是在理想條件下制定一個基準風速作為標準。風速儀測量數據質量取決于其自身特性，如精度、分辨率、靈敏度、誤差、響應速度、可重復性和可靠性。例如，典型的杯狀風速儀有±0.3m/s的精度，風速最微小的變化能被風速儀檢測出，靈敏度即是輸出與輸入信號的比值；誤差來源于指示速度與實際速度之間的偏差；響應速度表明了風速儀檢測到風速變化的快慢程度；可重復性表明在相同條件下多次測量時所讀取數據的接近程度；可靠性表明在給定風速的范圍內風速儀成功工作的可能性。風速儀的這些屬性應當定期檢查。

此外，在風速表適用之前需對其進行標定。風速儀標定是在校準風洞中進行的，校準風洞有吸入式、射流式、吸入-射流復合式以及正壓式等多種類型，其中最常用的是射流式校準風洞，其測量系統如圖2-29所示。射流式校準風洞由穩流段和收斂段構成，穩流段內裝有整流網和整流柵格。供應給風洞的壓縮空氣先通過穩流段，再通過收縮段形成自由射流。

以皮托管風速儀的標定為例，被標定的皮托管感壓探頭迎風置于風洞出口處，其總壓孔軸線對準校準風洞的軸線。標定時，皮托管動壓讀數為微壓計示出的Δh1。相應的標準動壓由安裝在穩流段A處的總壓管和開在射流段B處的靜壓孔組合測取，即為圖2-29所示的Δh。

在所選擇的標定流速范圍內，記錄各穩定氣流流速下校準風洞的標準動壓值Δh和被標定皮托管的動壓值Δh1。整理測定數據，結果被擬合成標定方程，或繪制成標定曲線，以備皮托管測量風速時查用。當Δh與Δh1之間呈線性關系時，可以直接求出被標定皮托管的校準系數ζ，即