第2章-风能课件

新能源学院新能源学院风力力发电原理原理1新能源学院新能源学院第第2章章 风能能 2.1 风的种类及形成2新能源学院新能源学院2.1 风的种的种类及形成及形成1.1.风风的形成及其基本特性的形成及其基本特性u风是一种自然现象，是指空气相对于地球表面的运动，是由于大气中热力和动力的空间不均匀性所形成的，风力机所利用的风是指水平方向的空气运动2024/7/113新能源学院新能源学院2.1 风的种的种类及形成及形成1.1.风风的形成及其基本特性的形成及其基本特性u主要特征：由于气温随高度变化引起的空气上下对流运动由于地表摩擦阻力引起的空气水平运动速度随高度变化由于地球自转的科里奥利力随高度变化引起的风向随高度变化由于湍流运动动量垂直变化引起的大气湍流特性随高度变化。2024/7/114新能源学院新能源学院2.1 风的种的种类及形成及形成1.1.风风的形成及其基本特性的形成及其基本特性u风的尺度小尺度空间数米到数千米，时间数秒到数天。中尺度空间数千米到数百千米，时间数分钟到一周天气尺度空间数百千米到数千千米，时间数天到数周行星尺度空间数千千米以上，时间数周2024/7/115新能源学院新能源学院2.1 风的种的种类及形成及形成1.1.风风的形成及其基本特性的形成及其基本特性u风的尺度2024/7/116新能源学院新能源学院2.1 风的种的种类及形成及形成1.1.风风的形成及其基本特性的形成及其基本特性u风的大小式中，为瞬时风速，指在某时刻t，空间某点上的真实风速；为平均风速，指在某个时距内，空间某点上各瞬时风速的平均值；为脉动风速，指在某时刻t，空间某点上各瞬时风速与平均风速的差值。2024/7/117新能源学院新能源学院2.1 风的种的种类及形成及形成2.2.风风力等力等级级u风力等级（简称风级）是根据风速的大小来划分的。国际上采用的风力等级是英国人蒲福（Francis Beaufort，1774-1859）于1805年所拟定的，故又称“蒲福风级”。从静风到飓风分为13级。人们又把第12级（飓风）分为6级，至此蒲福风力等级由13级变为18级。2024/7/118新能源学院新能源学院2.1 风的种的种类及形成及形成风级称谓一般描述m/s0无风 calm烟直上0.31软风 light air仅烟能表示风向，但不能转动风标0.3-1.52轻风slight breeze人面感觉有风，树叶摇动，普通之风标转动1.6-3.33微风 gentle breeze树叶及小枝摇动不息，近期飘展3.4-5.44和风 fresh breeze尘土及碎纸被风吹扬，树分枝摇动5.5-7.95清风 strong breeze有叶小树开始摇摆8.0-10.76强风 near gale树木枝摇动，电线发出呼呼啸声，张伞困难10.8-13.87疾风 gale小树枝被吹折，步行不能前进13.9-17.18大风 strong gale建筑物有损坏，烟囱被吹倒17.2-20.79烈风 violent strom树被风拔起，建筑物有相当破坏20.8-24.410狂风 storm极少见，如出现必有重大灾害24.5-28.411暴风 violent storm28.5-32.612飓风 hurricane32.7-36.92024/7/119新能源学院新能源学院2.1 风的种的种类及形成及形成2.2.风风力等力等级级u平均风速式中，N为风的级数；为N级风的平均风速，单位为m/s。uN级风的最大风速uN级风的最小风速2024/7/1110新能源学院新能源学院2.1 风的种的种类及形成及形成3.3.全球性的全球性的风风u环流原因：日地距离和方位不同，所接受的太阳辐射强度各异u科氏力：由于地球自转形成的地球偏向力的存在，这种力称为科里奥利力，简称偏向力或科氏力。在此力作用下，在北半球使气流向右偏转，在南半球使气流向左偏转。2024/7/1111新能源学院新能源学院2.1 风的种的种类及形成及形成3.3.全球性的全球性的风风u三圈环流2024/7/1112新能源学院新能源学院2.1 风的种的种类及形成及形成3.3.全球性的全球性的风风u季风季风是在一个大范围地区内，它的盛行风向或气压系统有明显的季风变化。这种在一年内随着季节的不同，有规律转变风向的风。季风一般以年为周期。除了气压梯度力外，大气运动还受到地转偏向力、摩擦力和离心力的影响。2024/7/1113新能源学院新能源学院2.1 风的种的种类及形成及形成3.3.全球性的全球性的风风u季风海陆分布对我国季风的作用l冬季，风从大陆吹向海洋；夏季，风从海洋吹向大陆行星风带位置季节转换对我国季风的作用l5个风带在北半球的夏季向北移动，冬季向南移动青藏高原对我国季风的影响l青藏高原2024/7/1114新能源学院新能源学院2.1 风的种的种类及形成及形成3.3.全球性的全球性的风风u季风程度可用一个定量的参数来表示，称为季风指数。当地面冬夏盛行风向之间的夹角在120180之间，认为是属于季风，然后用1月和7月盛行风向出现的的频率相加除以2，即式中，I为季风指数。当I40%为季风区，I=40%60%为较明显季风区，I60%为明显季风区2024/7/1115新能源学院新能源学院2.1 风的种的种类及形成及形成4.4.地方性的地方性的风风u海陆风：以日为周期（湖陆风）2024/7/1116新能源学院新能源学院2.1 风的种的种类及形成及形成4.4.地方性的地方性的风风u山谷风2024/7/1117新能源学院新能源学院2.1 风的种的种类及形成及形成4.4.地方性的地方性的风风u焚风2024/7/1118新能源学院新能源学院2.2 风的特征的特征1.1.平均平均风风u平均风速是指在某一时间间隔中，空间某点瞬时水平方向风速的数值平均值目前国际上通行的计算平均风速的时间间隔都取在10min2h范围。我国规定的计算时间间隔为10min。在评估风能资源时，为减少计算量，常用1h间隔计算平均风速。2024/7/1119新能源学院新能源学院2.2 风的特征的特征1.1.平均平均风风u平均风速随高度变化规律对数律分布指数率变化地面情况光滑地面海洋0.10草地0.14较高草地城市地0.16高农作物少量树木0.20树木多建筑物少0.220.24森林，村庄0.280.30城市高建筑0.402024/7/1120新能源学院新能源学院2.2 风的特征的特征1.1.平均平均风风u平均风速随时间的变化平均风速的日变化由于太阳照射引起地面受热的昼夜变化，导致平均风速在每天范围内也发生相应变化。2024/7/1121新能源学院新能源学院2.2 风的特征的特征1.1.平均平均风风u平均风速随时间的变化平均风速的季度变化在世界上几乎所有地区一年内的平均风速都随着季节发生明显规律性的变化2024/7/1122新能源学院新能源学院2.2 风的特征的特征1.1.平均平均风风u平均风速分布平均风速的变化是随机的，但其分布特性存在一定的统计规律性。2024/7/1123新能源学院新能源学院2.2 风的特征的特征1.1.平均平均风风u平均风速分布威布尔分布用下式表示：l式中，k为形状系数；c为尺度系数。2024/7/1124新能源学院新能源学院2.2 风的特征的特征1.1.平均平均风风u平均风向风向是指风的来向，即风是从哪个方向吹来的。风向用角度来表示，以正北方向为基准（0），按顺时针方向确定风向角度，最常用的方法是把圆周360分成16个等分，16个方位的中心如图2.15所示，每一个方位范围是22.5。某一风向在一年或一个月中出现的频率常用风向玫瑰图表示。2024/7/1125新能源学院新能源学院2.2 风的特征的特征1.1.平均平均风风方位图风向玫瑰图2024/7/1126新能源学院新能源学院2.2 风的特征的特征2.2.脉脉动风动风u脉动风速在某时刻t，空间某点上的瞬时风速与平均风速的差值，其时间的平均值为零2024/7/1127新能源学院新能源学院2.2 风的特征的特征2.2.脉脉动风动风u湍流强度湍流强度用来描述风速随时间和空间变化的程度，反映风的脉动强度，是确定结构所受脉动风载荷的关键参数。l式中，u，v，分别为三个正交方向上的脉动风速分量。2024/7/1128新能源学院新能源学院2.2 风的特征的特征2.2.脉脉动风动风u阵风系数在结构设计中，需要考虑阵风的影响，因此，引入阵风系数G。阵风系数是指阵风持续期内平均风速的最大值与10min时距的平均风速之比，它与湍流强度有关。湍流强度越大，则阵风系数越大；阵风持续时间越长则阵风系数越小。2024/7/1129新能源学院新能源学院2.2 风的特征的特征3.3.极端极端风风u极端风种类热带气旋；寒潮大风；龙卷风u重现期从统计学的角度，这个风速要间隔一段时间才出现一次，这段间隔时间叫重现期。重现期以年为单位，相应的最大风速也以一年的资料来确定。若重现期为N，则超过设计最大风速的概率为1/N，保证率就为1-1/N。2024/7/1130新能源学院新能源学院2.2 风的特征的特征3.3.极端极端风风u最大风速概率分布l式中，va为年最大风速；a为尺度参数；b为位置参数2024/7/1131新能源学院新能源学院2.3风的的测量与量与评估估1.1.风风能公式能公式u空气密度式中，p为气压，hPa。t为气温，。e为水汽压，hPa。u风速的统计特性威布尔分布2024/7/1132新能源学院新能源学院2.3风的的测量与量与评估估1.1.风风能公式能公式u风能公式风功率风能2024/7/1133新能源学院新能源学院2.3 风的的测量与量与评估估1.1.风风能公式能公式u风能公式平均风能密度有效风能密度2024/7/1134新能源学院新能源学院2.3 风的的测量与量与评估估2.2.风风的的测测量量u测风系统风的测量包括风向测量和风速测量风向测量：风的来向风速测量：单位时间内空气在水平方向上所移动的距离u组成传感器：将模拟信号转换成数字信号。包括：风速传感器、风向传感器、温度传感器、气压传感器2024/7/1135新能源学院新能源学院2.3 风的的测量与量与评估估2.2.风风的表示的表示u风速频率风速频率反映风的重复性，指在一个月或一年的周期中发生相同风速的时间数占这段时间刮风时数的百分比。u风玫瑰图盛行风向风向旋转方向最小风向频率2024/7/1136新能源学院新能源学院2.3 风的的测量与量与评估估4.4.风风能估能估计计u规划建设风力发电场或对风力发电场发电量做出预报，都需要对当地风能资源做出估计，风能资源大小常用风能密度来表示。2024/7/1137新能源学院新能源学院2.3 风的的测量与量与评估估5.5.风风能可利用区的划分能可利用区的划分1.风资源丰富区。年有效风功率密度大于200W/m2，320m/s风速的年累积小时数大于5000h，年平均风速大于6m/s。2.风资源次丰富区。年有效风功率密度为200150 W/m2，320m/s风速的年累积小时数为50004000h，年平均风速在5.5m/s左右。u风资源可利用区。年有效风功率密度为150100 W/m2，320m/s风速的年累积小时数为40002000h，年平均风速在5m/s左右。u风资源贫乏区。年有效风功率密度小于100 W/m2，320m/s风速的年累积小时数小于2000h，年平均风速小于4.5m/s。5.。2024/7/1138新能源学院新能源学院2.3 风的的测量与量与评估估5.5.风风能可利用区的划分能可利用区的划分3.风资源可利用区。年有效风功率密度为150100 W/m2，320m/s风速的年累积小时数为40002000h，年平均风速在5m/s左右。4.风资源贫乏区。年有效风功率密度小于100 W/m2，320m/s风速的年累积小时数小于2000h，年平均风速小于4.5m/s。2024/7/1139新能源学院新能源学院习题1.1.在在风风的尺度划分中，的尺度划分中，风风力机所力机所针对针对是哪一是哪一类类型，型，且具有何种特征？且具有何种特征？2.2.计计算算8.58.5级风对应级风对应的最大的最大风风速、最小速、最小风风速和平均速和平均风风速。若速。若风风力机力机额额定定风风速速为为12m/s12m/s，请说请说明几明几级风级风速速能使能使风风力机力机满发满发？3.3.什么是季什么是季风风，科氏力？并解，科氏力？并解释释三圈三圈环环流特点。流特点。4.4.我国我国风风能区域等能区域等级级划分方式。划分方式。5.5.从从风风向玫瑰向玫瑰图图中我中我们们可得到什么信息？可得到什么信息？2024/7/1140p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后谢谢你的到来学习并没有结束，希望大家继续努力Learning Is Not Over.I Hope You Will Continue To Work Hard演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日