2.1　風(fēng)能資源特性

風(fēng)能資源是選擇風(fēng)電開(kāi)發(fā)區(qū)域的主要依據(jù)，也是影響風(fēng)力發(fā)電特性的關(guān)鍵因素。本節(jié)從風(fēng)力發(fā)電功率預(yù)測(cè)研究的實(shí)際需求出發(fā)，對(duì)局地風(fēng)能資源的變化特性以及風(fēng)能資源的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行介紹。

2.1.1　風(fēng)的變化特性

風(fēng)是由太陽(yáng)輻射對(duì)地球表面加熱不均所形成的氣壓梯度力產(chǎn)生的，其首要的度量指標(biāo)即為風(fēng)速。風(fēng)速是單位時(shí)間內(nèi)空氣在水平方向上的移動(dòng)距離，主要由氣壓梯度力決定。

風(fēng)速可以看成時(shí)間和空間的函數(shù)，因而在不同的時(shí)間尺度下具有不同的規(guī)律。隨著風(fēng)速與風(fēng)向的變化，風(fēng)中可利用的能量也隨之變化。

風(fēng)速逐秒變化曲線如圖2－1（a）所示。風(fēng)速的短時(shí)間波動(dòng)主要受地形、地貌和中小尺度天氣系統(tǒng)影響，地形、地貌對(duì)氣流的影響體現(xiàn)為強(qiáng)迫作用，可以簡(jiǎn)化為剛體物質(zhì)對(duì)于流體運(yùn)動(dòng)的影響，中小尺度天氣系統(tǒng)的生消周期短，對(duì)大氣擾動(dòng)作用強(qiáng)，容易導(dǎo)致湍流。

風(fēng)速逐小時(shí)變化柱狀圖如圖2－1（b）所示。風(fēng)速的日變化主要與天氣系統(tǒng)和下墊面的屬性相關(guān)。一般情況下，陸地上是白天風(fēng)速大，夜間風(fēng)速小，這與白天太陽(yáng)輻射強(qiáng)、空氣對(duì)流旺盛密切相關(guān)。大氣層高層的流體動(dòng)量下傳，迫使下層空氣流動(dòng)加速，因而近地層和地球表層一般也被看作大氣動(dòng)量的“匯”。日落后，熱容較低的地球表層迅速冷卻，大氣的垂直流動(dòng)趨于穩(wěn)定，風(fēng)速逐漸減小。相比之下，海面的粗糙度低、熱容高，風(fēng)速的日變化呈現(xiàn)與陸地相反的特點(diǎn)。

此外，隨著季節(jié)的不同，風(fēng)速也會(huì)有相應(yīng)地變化，風(fēng)速逐月變化柱狀圖如圖2－1（c）所示。對(duì)于東亞大陸的風(fēng)能而言，受北半球永久性、半永久性天氣系統(tǒng)等因素影響，大氣的周期性調(diào)整使得地表風(fēng)能普遍表現(xiàn)為6—10月貧乏，冬半年豐裕的特點(diǎn)。這一季節(jié)性變化的根本原因是地球與太陽(yáng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的周期性。

除時(shí)間尺度上的變化外，風(fēng)速還隨高度變化，風(fēng)速隨高度變化曲線如圖2－1（d）所示。風(fēng)在近地層中的運(yùn)動(dòng)同時(shí)受到動(dòng)力因素和熱力因素的影響。動(dòng)力因素的來(lái)源主要為地面的摩擦阻力，這一阻力可能是由地球表面自身的粗糙度引起的，也可能是由于植被及地面上的建筑物引起的，風(fēng)速在高度上的變化很大程度上取決于地面的粗糙度。而熱力因素則與近地層的大氣垂直穩(wěn)定度有直接關(guān)系，不同的層結(jié)下，風(fēng)廓線的數(shù)學(xué)表達(dá)差異較大，因而風(fēng)隨高度的變化規(guī)律也顯得復(fù)雜。

2.1.2　風(fēng)能資源的評(píng)價(jià)

針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)與運(yùn)行需求，在分析某地的風(fēng)能狀況時(shí)，需對(duì)采集的風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和解釋。離計(jì)劃開(kāi)發(fā)區(qū)域較近的氣象站數(shù)據(jù)可以用來(lái)做初步分析，獲得風(fēng)況概貌。初步分析后，還要在場(chǎng)址上實(shí)地測(cè)風(fēng)，通常為期一年。

（1）平均風(fēng)速。平均風(fēng)速是反映風(fēng)能資源的重要參數(shù)，一般分為月平均風(fēng)速和年平均風(fēng)速：

（2）風(fēng)頻分布。風(fēng)頻分布表示一段時(shí)間內(nèi)不同風(fēng)速出現(xiàn)的概率，一般用風(fēng)速頻率來(lái)表示。某地一年內(nèi)發(fā)生同一風(fēng)速的樣本數(shù)與總體樣本數(shù)的比，即為該風(fēng)速的頻率。

當(dāng)風(fēng)速超過(guò)規(guī)定的最高允許值時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有損壞的危險(xiǎn)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將立即停轉(zhuǎn)，這個(gè)停機(jī)風(fēng)速稱為“切出風(fēng)速”。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組還有一個(gè)能夠啟動(dòng)的最低風(fēng)速，稱為“切入風(fēng)速”。在風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)區(qū)域風(fēng)能資源評(píng)估中，通常較為關(guān)注“切入風(fēng)速”與“切出風(fēng)速”間各段風(fēng)速區(qū)間的頻率分布特點(diǎn)，作為評(píng)估的基本依據(jù)。

（3）風(fēng)玫瑰圖。任意地點(diǎn)的風(fēng)向、風(fēng)速及其持續(xù)時(shí)間都是變化的。為了更為直觀地刻畫(huà)這一變化，可采用風(fēng)玫瑰圖來(lái)進(jìn)行風(fēng)能資源測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)。

風(fēng)玫瑰圖如圖2－2所示，這是根據(jù)某一地區(qū)長(zhǎng)期記錄的風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)值，按一定比例繪制，一般采用8個(gè)或16個(gè)方位表示。由于該圖的形狀似玫瑰花朵，故名“風(fēng)玫瑰”。

風(fēng)玫瑰圖可以表達(dá)某一方位的風(fēng)所占時(shí)間百分比，由此得出主風(fēng)向。上述時(shí)間百分比和該方向平均風(fēng)速的乘積，為風(fēng)頻譜的平均強(qiáng)度信息。上述時(shí)間百分比乘以該方向風(fēng)速的三次方，則得到各個(gè)方向上的風(fēng)能。

（4）湍流強(qiáng)度。當(dāng)風(fēng)通過(guò)粗糙的地表及障礙物時(shí)，風(fēng)速和風(fēng)向會(huì)迅速地變化，這一現(xiàn)象是由湍流造成的，氣流越過(guò)障礙物如圖2－3所示。湍流強(qiáng)度取決于障礙物的尺寸和形狀。基于湍流特性，湍流區(qū)域在障礙物前可以擴(kuò)展到5倍障礙物高度區(qū)域，在障礙物后側(cè)，其影響區(qū)域?yàn)檎系K物的10～15倍。在垂直方向上，湍流的影響在2～3倍障礙物高度處仍然顯著。

湍流強(qiáng)度描述風(fēng)速隨時(shí)間和空間變化的程度，反映脈動(dòng)風(fēng)速的相對(duì)強(qiáng)度，是描述大氣湍流運(yùn)動(dòng)特性的最重要特征量。

湍流強(qiáng)度ε定義為脈動(dòng)風(fēng)速均方根值與平均風(fēng)速之比。

湍流強(qiáng)度ε≤0.1時(shí)，表示湍流較小；相對(duì)于風(fēng)力發(fā)電，ε≥0.25表明湍流過(guò)大，易引起風(fēng)能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)振動(dòng)、載荷不均勻，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組輸出功率減少。

（5）平均風(fēng)能密度。一個(gè)區(qū)域的可利用風(fēng)能資源，由該區(qū)域常年平均風(fēng)能密度的大小決定。風(fēng)能密度是單位面積上的風(fēng)能，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言，風(fēng)能密度是其葉輪掃過(guò)單位面積的風(fēng)能，即

常年平均風(fēng)能密度為：

（6）有效風(fēng)能密度。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言，可利用的風(fēng)能是在“切入風(fēng)速”和“切出風(fēng)速”之間的有效風(fēng)速范圍內(nèi)，這個(gè)范圍內(nèi)的風(fēng)能叫“有效風(fēng)能”，該風(fēng)速范圍內(nèi)的平均風(fēng)功率密度稱為“有效風(fēng)功率密度”。

（7）風(fēng)速的典型隨機(jī)分布。一年中，每個(gè)月的風(fēng)速不只是大小不同，其分布規(guī)律也有差異。常用來(lái)描述平均風(fēng)速隨機(jī)性的分布主要有雙參數(shù)Weibull分布、Rayleigh分布、LogNormal分布。其中，雙參數(shù)Weibull分布被普遍認(rèn)為適用于風(fēng)速作統(tǒng)計(jì)描述的概率密度函數(shù)。

Weibull分布是一種單峰的、雙參數(shù)的分布，其概率密度可表示為：

不同月份風(fēng)速的Weibull分布，其形狀參數(shù)k和尺度參數(shù)c的差別很大，這說(shuō)明不同月份風(fēng)速具有不同分布規(guī)律。形狀參數(shù)k的改變對(duì)分布曲線型式有很大影響。當(dāng)0＜k＜1時(shí)，分布為眾數(shù)為0，分布密度為x的減函數(shù)；當(dāng)k＝1時(shí)，分布呈指數(shù)型；當(dāng)k＝2時(shí)，分布為瑞利分布；當(dāng)k＝3.5時(shí)，分布接近正態(tài)分布。

（8）風(fēng)切變。在了解某一風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能資源特性時(shí)，地表0～100m的風(fēng)切變特征是需要重點(diǎn)考慮的一項(xiàng)因素。如果一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的葉輪直徑為68m、輪轂中心高65m，葉尖最低時(shí)和最高時(shí)的高度將相差68m，風(fēng)能的鉛直變化將重點(diǎn)關(guān)注30～100m。而不同高度的風(fēng)速是不同的，作用在葉片上的力以及可利用的風(fēng)能會(huì)因葉片位置的不同而有重大變化。

風(fēng)速隨高度的增加幅度、水平風(fēng)向的垂直變化均受地面粗糙度大小和障礙物的物理特征影響。植被稠密會(huì)大大削弱近地層風(fēng)的強(qiáng)度，平滑的地表則對(duì)風(fēng)切變的影響較小。通常用粗糙度高度來(lái)表征地表的粗糙度，平坦光滑地表為0.005m，開(kāi)闊草地為0.025～0.1m，中耕作物取0.2～0.3m，果園和灌木叢為0.1～0.5m，森林以及城鎮(zhèn)中心為1～2m。上述粗糙高度的估計(jì)有利于垂直風(fēng)切變的分析研究和實(shí)際計(jì)算。

（9）加速效應(yīng)。加速效應(yīng)是地形對(duì)氣流的動(dòng)力作用之一。當(dāng)氣流由較寬闊地帶進(jìn)入狹窄區(qū)域（例如穿過(guò)兩側(cè)高山或高山間的峽谷）時(shí)，由于橫截面積減小，光滑的山脊會(huì)加速流經(jīng)它的氣流，產(chǎn)生加速效應(yīng)，也稱狹管效應(yīng)，山脊上的加速效應(yīng)如圖2－4所示。

地形自身的幾何形狀是影響加速效應(yīng)的重要因素。當(dāng)山脊坡度在6°～16°之間或山脊的凹面為迎風(fēng)面時(shí)，加速效應(yīng)顯著；主導(dǎo)風(fēng)向平行于山脊時(shí)，加速效應(yīng)小；主導(dǎo)風(fēng)向垂直于山脊時(shí)，加速效應(yīng)大。