风能资源测量与评估概述(PPT 77页).ppt

项目一风能资源测量与评估 山东职业学院机电装备系新能源应用技术教研室 风力发电技术 主讲教师 张为宾 任务1风的形成 一 新能源介绍 指技术成熟且已被大规模利用的能源 如煤炭 石油 天然气以及大中型水电都被看作常规能源 常规能源 指尚未大规模利用 正在积极研究开发的能源 相对于传统能源 新能源具有污染少 储量大 前景广阔的特点 新能源 风能太阳能核能生物质能地热能海洋能氢能 新能源 一 新能源介绍 风能利用 二 风的特点 风的特点1 风的变化性和不稳定性 由于气候 时间及地理环境的影响 风的大小及方向都在瞬时变化着 风的不稳定性 使我们对风能利用是将会有很多问题需要解决 2 风力大小随海拔的升高而增大 其根本原因是 随着海拔的升高地球表面与空气摩擦阻力的影响越来越小 3 空气的密度随海拔的升高而减小 虽然海拔高出风比较大 但是由于空气密度小 风能量并不大 二 风的特点 大气层1 对流层赤道附近为16 18km 在中纬度地区为l0 12km 两极附近为8 9km 特点 一是气温随高度升高而递减 大约每上升100m 温度降低0 6 二是密度大 大气总质量的3 4以上集中在此层 在l 2km以下 受地表的机械 热力作用强烈 通称摩擦层 或边界层 亦称低层大气 大气的污染物绝大部分活动在此层 在1 2公里以上 受地表影响变小 称为自由大气层 主要天气过程如雨 雪 雹的形成均出现在此层 二 风的特点 2 平流层从对流层顶到约50km的大气层为平流层 在平流层下层 即30 35knl以下 温度随高度降低变化较小 气温趋于稳定 所以又称同温层 在30 35km以上 温度随高度升高而升高 特点 一是空气没有对流运动 二是空气比下层稀薄得多 水汽 尘埃的含量甚微 很少出现天气现象 三是在高约15 35km范围内 有厚约20km的 层臭氧层 因臭氧具有吸收太阳光短波紫外线的能力 故使平流层的温度升高 二 风的特点 3 中间层从平流层顶到80km高度称为中间层 这一层空气更为稀薄 温度随高度增加而降低 4 热层从80km到约500km称为热层 这一层温度随高度增加而迅速增加 层内温度很高 昼夜变化很大 热层下部尚有少量的水分存在 因此偶尔会出现银白并微带青色的夜光云 二 风的特点 5 逃逸层热层以上的大气层称为逃逸层 逃逸层空气极为稀薄 其密度几乎与太空密度相同 故又常称为外大气层 由于空气受地心引力极小 气体及微粒可以从这层飞出地球致力场进入太空 逃逸层是地球大气的最外层 逃逸层的温度随高度增加而略有增加 三 风的形成 风的形成大气的流动像水流一样 从压力高处向压力低处流动 气压差越大 风也就越大 太阳能正是形成大气压差的原因 由于地球自转轴与太阳的共转轴存在66 5 的夹角 因此对地球上的不同地点 太阳照射的角度是不同的 而且对同一地点1年中这个角度也是变化的 地球上某处所接受的太阳辐射能与该地点太阳照射角的正弦成正比 三 风的形成 三 风的形成 1 气压梯度力由于高低纬度之间的温度差异 造成了南北向之间的气压梯度 由于气压梯度引起的力就叫气压梯度力 在气压梯度力的作用下 使空气做水平运动 并沿垂直于等压线的方向由高压向低压吹 在赤道和低纬度地区 太阳高度角大 日照时间长 太阳辐射强度大 地面和大气接受热量多 温度较高 高纬度地区 太阳高度角小 日照时间短 太阳辐射强度小 地面和大气接受热量少 温度低 三 风的形成 2 地转偏向力地球自转使空气运动发生偏向力 这种力称为 地转偏向力 在赤道附近 地转偏向力为零 随着纬度的增加而增大 在极地达到最大 在这种力的作用下 北半球气流向右偏转 南半球气流向左偏转 三 风的形成 3 大气环流在地球上由于地球表面受热不均 引起大气层中空气压力不均衡 因此形成地面与高空的大气环流 这种环流在地球自转偏向力的作用下 形成了赤道到纬度30 N环流圈 哈德来环流 纬度30 60 N环流圈和纬度60 90 N环流圈 这便是著名的 三圈环流 三 风的形成 1 纬度30 N环流圈在赤道附近 空气受热膨胀上升 造成赤道上空气压升高 空气向极地方向流动 以北半球为例 由于赤道附近地转偏向力很小 空气基本受气压梯度力影响 因此赤道上空的空气由南向北流动 随着纬度的增加 地转偏向力逐渐加大 空气运动向右偏转 在纬度30 附近 偏角到达90 地转偏向力与气压梯度力相当 空气运动方向与纬圈平行 所以在纬度30 附近上空 赤道来的气流受到阻塞而聚积 气流下沉 形成这一地区地面气压升高 就是所谓的 副热带高压 三 风的形成 1 纬度30 N环流圈副热带高压下沉气流分为两支 一支从副热带高压向南流动 指向赤道 在地转偏向力的作用下 北半球吹东北风 风速稳定且不大 约3 4级 这是所谓的信风 所以在南北纬30 之间的地带称为信风带 这一支气流补充了赤道上升气流 构成了一个闭合的环流圈 称此为哈德来环流 也叫做正环流圈 此环流圈南面上升 北面下沉 三 风的形成 2 纬度30 60 N环流圈副热带高压下沉气流的另一支从副热带高压向北流动的气流 在地转偏向力的作用下 北半球吹西风 且风速较大 这就是所谓的西风带 在60 N附近处 西风带遇到了由极地向南流来的冷空气 被迫沿冷空气上面爬升 在60 N地面出现一个副极地低压带 三 风的形成 2 纬度30 60 N环流圈副极地低压带的上升气流 到了高空又分成两股 一股向南 一股向北 向南的一股气流在副热带地区下沉 构成一个中纬度闭合圈 正好与哈德来环流流向相反 此环流圈北面上升 南面下沉 所以叫反环流圈 也称费雷尔环流圈 三 风的形成 3 纬度60 90 N环流圈副极地低压带的上升气流的向北气流 从上升到达极地后冷却下沉 形成极地高压带 这股气流补偿了地面流向副极地带的气流 而且形成了一个闭合圈 此环流圈南面上升 北面下沉与哈德来环流流向类似的环流圈 因此也叫正环流 在北半球 此气流由北向南 受地转偏向力的作用 吹偏东风 在60 90 之间 形成了极地东风带 三 风的形成 4 季风环流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节变化 这种在1年内随着季节不同 有规律转变风向的风 称为 季风 季风盛行地区的气候又称季风气候 图1 3海陆热力差异引起季风示意图a 冬季b 夏季 三 风的形成 冬季 陆地比海洋冷 大陆气压高于海洋 气压梯度力自大陆指向海洋 风从大陆吹向海洋 夏季则相反 陆地很快变暖 海洋相对较冷 陆地气压低于海洋 气压梯度力由海洋指向大陆 图1 3海陆热力差异引起季风示意图a 冬季b 夏季 三 风的形成 5 局地环流1 海陆风由于海陆物理属性的差异 造成海陆受热不均 a 海风白天陆上温升较海洋快 空气上升 而海洋上空气温度相对较低 使地面有风白海洋吹向大陆 补充大陆地区上升气流 而陆上的上升气流流向海洋上空而下沉 补充海上吹向大陆气流 这种白天风从海洋吹向大陆称海风 三 风的形成 b 陆风夜间环流的方向正好相反 所以风从陆地吹向海洋 夜间风从陆地吹向海洋称陆风 三 风的形成 2 山谷风a 谷风白天 山坡接受太阳光热较多 空气增温较多 而山谷上空的空气因离地较远 增温较少 于是山坡上的暖空气不断上升 并从山坡上空流向谷地上空 谷底的空气则沿山坡向山顶补充 这样便在山坡与山谷之间形成一个热力环流 下层风由谷底吹向山坡 称为谷风 三 风的形成 2 山谷风b 山风夜间 山坡上的空气 受山坡辐射冷却影响 空气降温较多 而谷地上空 同高度的空气因离地面较远 降温较少 于是山坡上的冷空气因密度大 顺山坡流入谷地 谷底的空气因汇合而上升 并从上面向山顶上空流去 形成与白天相反的热力环流 下层风由山坡吹向谷地 称为山风 任务2风的特征及测量 一 风的基本特征 1 风速风的大小常用风的速度来衡量 风速是单位时间内空气在水平方向上移动的距离 常用m s km h mile h等来表示 专门测量风速的仪器有旋转式风速计 散热式风速计和声学风速计等 风速仪安装高度不同 所得到的风速结构也不同 它随高度升高而增强 通常测风高度为10m 旋转式风速计 散热式风速计 声学风速计 一 风的基本特征 1 瞬时风速 平均风速瞬时风速 在某一瞬间测得风速为瞬时风速 平均风速 在某一段时间内 瞬时风速的算术平均值 风速仪测得的风速是平均风速 我们将年平均风速作为评价一个风场开发利用价值的重要指标 一般由当地气象台站的历年观测统计数据给出 风力发电机轮毂中心高度处的最小年平均风速 是判断一个风电场开发是否经济的标准 以目前能源价格和上网电价为参照物 当年平均风速大于5m s时 风能的开发才有经济价值 一 风的基本特征 2 风速频率 风速变幅风速频率 在一定的时间内 相同风速出现的时数占测量总时数的百分比 风速变幅 在求得平均风速的限定时间内 最大风速与最小风速之差 对风能利用来说 既希望平均风速较高 又希望风速变幅越小越好 以保证风力发电机平稳运行和便于控制 一 风的基本特征 3 启动风速 切除风速 有效风速启动风速 可使风力发电机启动运行的风速称为启动风速 风力发电机常取3m s为启动风速 切除风速 风力发电机超速运行的上限风速称为切除风速 大于切除风速时 风力发电机必须停转 否则将有超速运转而损坏的危险 风力发电机常取25m s为切除风速 有效风速 风力发电机常取3 25m s的风速称为有效风速 据此计算出来的风速频率和风能称为有效风频和有效风能 年平均风速大于3m s的年小时数决定了风力发电机的工作效率及经济性 表明风电场在一年内风力发电机可以起动工作的小时数 一 风的基本特征 4 参考风速和极限风速参考风速 定义为50年一遇的 在轮毂高度处能持续10min的阵风平均风速 极限风速 定义为1 4倍的参考风速 极限风速决定了风力发电机设计时的强度和刚度指标 风力发电机要想安全地工作 风力发电机组及其零部件就必须保证在瞬时最大风速时不会损坏 一 风的基本特征 5 影响风速的主要因素a 垂直高度从空气运动角度 通常将1km以下的大气层分为三个区域 离地面2m以内的区域称为底层 2 100m的区域称为下部摩擦层 二者总称为地面境界层 从100 1000m区域称为上部摩擦层 以上三个区域总称为摩擦层 摩擦层之上称为自由大气 在地面境界层内 空气运动因受流黏性和地面摩擦的影响 风向大体一致 而风速则随着垂直高度的增加而增大 一 风的基本特征 b 地形地貌 表1 1不同地形与平坦地面的风速比值 表1 2山顶与山麓的风速比值 一 风的基本特征 c 地理位置由于陆地表面和海面对风的摩擦阻力不同 造成了海面上的风速比岸上的风速大 沿海的风速比内陆的风速大 d 障碍物风流经障碍物时 会在其后面产生不规则的涡流 致使流速降低 这种涡流随着远离障碍物而逐渐消失 当距离大于障碍物高度10倍以上时 涡流可完全消失 所以在障碍物下设置风力发电机时 应远离其高度10倍以上 一 风的基本特征 2 风级 风压风力等级 简称风级 是风速的数值等级表示 是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象来来估计风力的大小 风越强 数值越大 国际上 一般采用的英国人蒲福于1805年所拟定的等级划分 故又称蒲福风级 他将风力等级分为13级 后经国际修订由13级变为18级 如表1 3所示 风压 垂直于气流方向的平面所受到的风的压力 根据伯努利方程得出的风速风压关系 12 2其中 Wp为风压 kN m 为空气密度 kg m v为风速 m s 一 风的基本特征 表1 3风级 风速和征象对照表 一 风的基本特征 表1 3风级 风速和征象对照表 一 风的基本特征 一 风的基本特征 一 风的基本特征 3 风向风向是指风吹来的方向 如果风从东面吹来 则称为东风 观测陆地上的风向一般采用16个方位 海上的风向通常采用32个方位 即以正北为零 顺时针没转过22 5 为一个方位 如图1 7所示 静风记为C 一 风的基本特征 3 风向风玫瑰图 各种风向出现频率常用风玫瑰图来表示 风玫瑰图是在极坐标图上 点出某年或某月各种风向出现的频率 称为风向玫瑰图 同理 统计各种风向上的平均速度和风能的图 分别称为风速玫瑰图和风能玫瑰图 风向玫瑰图 一 风的基本特征 4 风能密度空气1s时间内以速度v流过单位截面积的动能成为风能密度 常以W m2来表示 风能密度是决定风能潜力大小的重要因素 12 3风能密度与平均速度v的三次方成正比 与空气密度成正比 而空气密度则取决于气压 气温和湿度 因此 不同地方和条件下的风能密度不同 一般来说 海边地势低 气压高 空气密度大 风能密度高 高山地区气压低 空气稀薄 风能密度小 二 常用测风设备 1 风速计1 杯式风速计 它由3个互成120 固定在支架上的抛物锥空杯组成感应部分 空杯的凹面都顺向一个方向 整个感应部分安装在一根垂直旋转轴上 在风力的作用下 风杯绕轴以正比于风速的转速旋转 转速可以用电触点 测速发电机或光电计数器等记录 二 常用测风设备 2 螺旋桨式风速计 它是一组三叶或四叶螺旋桨绕水平轴旋转的风速计 通过尾翼使其旋转平面始终正对风的来风速计向 它的转速正比于风速 二 常用测风设备 3 热线风速计 热线风速计是采用一根被电流加热的金属丝 流动的空气使它散热 利用散热速率和风速的平方根成线性关系 再通过电子线路线性化 即可制成热线风速计 旁热式的热线一般为锰铜丝 其电阻温度系数近于零 它的表面另置有测温元件 直热式的热线多为铂丝 在测量风速的同时可以直接测定热线本身的温度 热线风速计在小风速时灵敏度较高 适用于对小风速测量 是大气湍流和农业气象测量的重要工具 二 常用测风设备 4 数字风速仪 数字风速仪是专为各种大型机械设备研制开发的大型智能风速传感报警设备 其内部采用了先进数字风速仪的微处理器作为控制核心 外围采用了先进的数字通讯技术 数字风速仪用于测量瞬时风速和平均风速 具有自动监测 实时显示 超限报警控制等功能 二 常用测风设备 5 声学风速计 在声波传播方向的风速分量将改变声波传播速度 利用这种特性制作的声学风速表可用来测量风速分量 声学风速表至少有两对感应元件 每对包括发声器和接收器各一个 使两个发声器的声波传播方向相反 如果一组声波顺着风速分量传播 另一组恰好逆风传播 则两个接收器收到声脉冲的时间差值将与风速分量成正比 如果同时在水平和铅直方向各装上两对元件 就可以分别计算出水平风速 风向和铅直风速 二 常用测风设备 2 风速记录1 机械式 当风速感应器旋转时 通过蜗杆带动蜗轮转动 再通过齿轮系统带动指针旋转 从刻度盘上直接读出风的行程 除以时间得到平均风速 2 电接式 由风杯驱动的蜗杆 通过齿轮系统连接到一个偏心凸轮上 风杯旋转一定圈数 凸轮使相当于开关作用的两个接点闭合或打开 完成一次接触 表示一定的风程 3 电机式 风速感应器驱动一个小型发电机中的转子 输出与风速感应器转速成正比的交变电流 输出到风速的指示系统 4 光电式 风速旋转轴上装有一个圆盘 盘上有等距的孔 孔上面有一个红外光源 正下方有一个光电半导体 风杯带动圆盘转动时 形成光脉冲信号 每一个脉冲信号表示一定的风行程 二 常用测风设备 2 风速记录风速大小与风速计安装高度和观测时间有关系 世界各国基本上都以10m高度处观测为依据 但是取多长时间的平均风速不统一 有取1min 2min 10min平均风速 有取1h平均风速 也有取瞬时风速等 我国气象站观测时有3种风速 一日4次时2min平均风速 自记10min平均风速和瞬时风速 风能资源计算时 都用自记10min平均风速 极端风速计算时 用最大风速 10min平均最大风速 或瞬时风速 二 常用测风设备 2 风向标风向标是测量风向的常用装置 有单翼型 双翼型和流线型 风向标一般由尾翼 指向杆 平衡锤及旋转主轴四部分组成的首尾不对称的平衡装置 其重心在支撑轴的轴心上 整个风向标可以绕垂直轴自由摆动 在风的动压力作用下 取得指向风的来向的一个平衡位置 即为风向的指示 传送和指示风向所在方位的方法有很多 有电触点盘 环形电位 自整角机和光电码盘四种类型 其中最常用的是码盘 风速仪一般安装在离地10m的高度上 二 常用测风设备 表1 4风向标具体参数 二 常用测风设备 表1 5风向标信号输出类型表 二 常用测风设备 a 电压电流型输出接口b RS485型输出结构图1 15风向标输出接口图 三 风速风向仪使用 PROFESSIONAL IX型机械式风速风向仪 三 风速风向仪使用 PROFESSIONAL IX型机械式风速风向仪 三 风速风向仪使用 二 内部连接及布局风速计传感器信号线 1 棕色 传感器信号电源正极 2 白色 传感器信号电源负极 3 蓝色 传感器信号输出正极 4 黑色 传感器信号输出负极 风速计加热器电源线 1 棕色 加热器电源正极 2 蓝色 加热器电源负极 三 风速风向仪使用 二 内部连接及布局风向标传感器信号线 1 棕色 传感器信号电源正极 2 白色 传感器信号电源负极 3 蓝色 传感器信号输出正极 4 黑色 传感器信号输出负极 风向标风速计加热器电源线 1 棕色 加热器电源正极 2 蓝色 加热器电源负极 三 风速风向仪使用 三 设备使用1 风向标标定在风向标安装完毕以后 必须设定其指北 找到风向标上的N标志 然后使其指向地理为止的正北 找到风标 然后转动他直至风向标上标明N标志的位置 然后用胶带固定住 当风标已经按照此方法固定住以后 就可以通过在中轴线上转动风标来找到参照点 这时必须转动风向标外壳知道风标后端的小铁托指向正北方向的参照点 整个指北过程完成 如果因为当地地形或其他原因无法找到参照点 则可以使用南作为参照点 这是就必须保证在风向标的N标志不是指向参照点 而是参照点的反方向 三 风速风向仪使用 2 电气连接PROFESSIONAL IX风速仪风向标通过一根15米电缆连接到风机控制系统上 电缆必须要用必要的工装固定住 因为不固定的安装会极大的降低线缆的强度 在固定安装的情况下 线缆能耐零下40度的低温 但是不固定情况下最低只能下降在零下20度左右 建议在固定时从风速仪风向标本体向下放置线缆时留一个较大的弧线 以保证今后拆线缆时能方便些 注意 为了保证不被电磁感应影响到测试精度 风速仪风向标必须接地 并且从两面进行屏蔽 而且请确保电缆在数据处理系统侧是受防潮保护的 总体来说 带有为了放置抄起进入终端控制盒的橡胶接头的Pg插孔可以提供足够的防护 三 风速风向仪使用 3 加热传感器内部带有自动控制的温度传感器 当外部温度低于3 时 加热开关开启 开始加热 当外部温度高于5 时 加热开关关闭 停止加热 加热器设备的功率是125瓦 其中传感器顶部 风标风杯的载体一整块金属箔片本身也是加热器 所以能确保在极低的温度下 风速仪风向标都能够正常工作 特别注意 由于加热器功率较大 所以其供电电源要与传感器自身的供电电源分开 需要一个独立的24V 5 5A的电源模块来给其供电 加热器的电源线缆是从传感器的侧面引出来的独立的线 任务3风资源测量与评估 一 风能资源评估方法 风能资源评估方法风能资源评估方法可分为统计分析法和数值模拟法两类 其中统计分析法又可分为基于气象站历史观测资料的统计分析法和基于测风塔观测资料的统计分析方法两种 在一个给定的地区内调查风能资源时 可以划分为三种基本的风能资源评估的规模或阶段 区域的初步识别 区域风能资源估计和微观选址 1 区域的初步识别这个过程是从一个相对大的区域中筛选合适的风能资源区域 筛选是基于气象站测风资料 地貌 被风吹得倾向一侧的树木和其它标志物等 在这个阶段可以选择新的测风位置 一 风能资源评估方法 2 区域风能资源估计这个阶段要采用测风计划以表征一个指定区域或一组区域的风能资源 这些区域已经考虑要发展风电 在这个规模上测风最基本的目标是 确定和验证该区域内是否存在充足的风能资源 以支持进一步的具体场址调查 比较各区域以辨别相对发展潜力 获得代表性资料来估计选择的风电机组的性能及经济性 筛选潜在的风电机组安装场址 3 微观选址用来为一台或更多风电机组定位 以使风电场的全部电力输出最大 风电机组排布最佳 二 风资源测评程序 二 风资源测评程序 二 风资源测评程序 2 测风步骤现场测风的目的是获取准确的风电场选址区的风况数据 要求数据具有代表性 准确性和完整性 因此应制定严格的测风计划和步骤 制定测风原则为了能够确定在各种时间和空间条件下风能变化的特性 需要测量风速 风向和湍流特性 测风时间应连续至少一年以上 连续漏测时间不应大于全年的1 有效数据不能少于全部测风时间的90 测风设备选定选用精度高 性能好 功耗低的自动测风设备 并具有抗自然灾害和人为破坏 保护数据安全准确的功能 二 风资源测评程序 确定测风方案测风方案依测风的目的分为短期临时测风和长期测风方案 对于复杂地形 需增设测风塔及测风设备 应视现场具体情况而定 测风位置确定测风应在空旷的开阔地进行 尽量远离高大