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第二章风资源的基本理论
第二章风资源的基本理论
描述风的物理量
风是一种矢量,它通常用风向与风速这两个参数来表示。为了表示风所具有的能
量,常用的概念有:风能、风功率、平均风能密度、有效风能密度等。
风速
它表示空气在单位时间内流过的距离,单位是米/秒或英里/小时。风速要用风速
仪测量。由于风力变幻莫测,于是在实用中就有瞬时风速与平均风速这两个概念。前
者可以用风速仪在较短时间(~)内测得,后者实际上是某一时间间隔内各瞬时
风速的均值,因此就有日平均风速、月平均风速、年平均风速等。
风向
风向的测量
风向是指风吹来的方向,如果风是从北方吹来就称为北风。风向可以由风向标给
出,从风向标相对于罗盘主方位固定臂的位置,可看出风的方向。气象上使用的风向
标要求转动灵活,且要水平安装在四周空旷的地区,并高出地面 10~12m。目前国内
使用的 EL 型电接风向风速仪,通过电缆把风向标的摆动信号接到室内记录仪上,每
间隔 ,记录一次瞬时风向,这样,在室内就可以观测和记录风向。
风向的表示
观测陆地上的风向,一般采用 16 个方位
(观测海上的风向通常采用 32 个方位),即以
正北为零,顺时针每转过 °为一个方位,
表 列出 16 个方位的风向符号,图 是
风向的方位图。



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内蒙古工业大学硕士学位论文
表 16 个方位风向符号
风向符号角度风向符号角度
北 N 360 东北 NE 45
东 E 90 东南 SE 135
南 S 180 西南 SW 225
西 W 270 西北 NW 315
东北偏北 NNE 东北偏东 ENE
东南偏东 ESE 东南偏南 SSE
西南偏南 SSW 西南偏西 WSW
西北偏西 WNW 西北偏北 NNW
风能
风能就是流动的气流所具有的动能。风能的利用主要就是将气流的动能转化为其
它形式的能。
假定气流是不可压缩的(这在风能利用的风速范围内,是相当精确地成立的)[23],
那么整个能量就可看成是纯动力的,根据力学原理,在时间 t 内,流过截面 A 的风具
有的动能 E(焦耳)为
EvAt= 1 ρ 3 (2-1)
2
这就是在 t 时间内,风所具有的能量公式。式中ρ为空气密度, v 为风速,各参
量的单位采用国际单位制。
风功率(风能公式)
在单位时间内流过该截面的风能,即为风功率,用(2-1)式除以相应的时间 t,得
到
WvA= 1 ρ 3 (2-2)
2
单位为千克·米 2·秒-3,即瓦。式(2-2),是我们常用的风功率公式。而在风力工
程上,则又习惯称此式为风能公式。
从(2-2)式可见,风能大小与气流通过的面积、空气密度和气流速度的立方成正比。
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第二章风资源的基本理论
因此,在风能计算中,最重要的因素是风速,风速取值准确与否对风能潜力的估计有
决定性作用。
平均风能密度
风能密度是气流在单位时间内垂直通过单位截面积的风能。将(2-2)式除以相应的
面积 A,便得到风功率密度公式,也称风能密度公式
3
wv=12ρ(2-3)
由于风速随时间的变化是随机的,通常无法用—个函数形式给出v (t)的表达式,
因此通过式(2-3)很难求出平均风能密度。这时,我们只能用观测的离散值近似地求出
(2-3)式的值,即
'3ρ
wNv= (2-4)
2N ∑ ii
其中,N 为 T 时间内共进行的观测次数, vi 为每次的观测值,Ni 为该风速等级在 T
时间内出现的次数。
有效风能密度
由于风力机需要根据一个确定的风速来设计,这个风速称为“设计风速”。在这
种风速下,,把风力机开始运行作功时的这个风速
称为“起动风速”。当风到达某一风速时,风机限速装置将限制风轮转速不再改变,
以使风力机出力稳定,称这个风速为额定风速。但若再大到某一极限风速时,风力机
就有损坏的危险,必须停止运行,这一风速称为“停机风速”或“截止风速”。因此,
在统计风速资料计算风能潜力时,必须考虑这两种因素。通常将“起动风速”到“停
机风速”之间的风力称“有效风力”。这个范围内的风能称为“有效风能”。因此引入
“有效风能密度”这一概念,它是有效风力范围内的风力平均密度。
根据有效风速密度