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1、风力发电场第2章 风能资源测量与评估（教学课件）第2章 风能资源测量与评估2.1 风能资源测量仪器及其工作原理2.2 测风塔的结构、地点选择和传感器安装2.3 风能资源评估方法2.4 风能资源评估软件2.1 风能资源测量仪器及其工作原理2.1.1 风速计定义：测量大气气流速度的装置。种类：旋转式风速计、声学风速计、压力式风 速计、散热式风速计、激光式风速计等。旋转式风速计分为：风杯式和螺旋桨叶片式。2.1 风能资源测量仪器及其工作原理1 风杯式风速计 在风力的作用下风杯（3-4个咖啡勺状小碗）绕轴（竖立的支撑柱）旋转。风杯将风的压力转化成旋转的扭矩，再由风速计内部的转换器将扭矩转化成电信号，然
2、后通过电缆传输到记录仪器。在此过程中风杯的转速和风速在一定范围内呈线性关系（正比）。2.1 风能资源测量仪器及其工作原理1 风杯式风速计主要考察的技术指标:起始风速和距离常数起始风速：风速计开始旋转的最小风速。要求起始风速在1m/s以下。距离常数：平均风速与时间常数的乘积。时间常数：风速计对风速的“响应时间”，风速计在经过一个风速的突然变化后恢复到63%的均衡速度所需的最短时间。2.1 风能资源测量仪器及其工作原理1 风杯式风速计 风杯式风速计最常用的是三杯式风速计。技术指标见表2-1。参数 技术指标 参数 技术指标测量范围/(m/s)096 运行温度范围/-5560启动风速/(m/s)0.7
3、8 运行湿度范围（%）0100距离常数/m 3.0 记录精度/(m/s)0.1表2-1 风杯式风速计的技术指标2.1 风能资源测量仪器及其工作原理1 风杯式风速计风杯式风速计优点是：结构形式简单，故障率低，保养费用低，经济实惠。风杯式风速计缺点是：十字风杯具有惯性，启动时，风速小时无响应，强阵风过后由于惯性的作用，其运转一段时间后才能停下，这样会高估阵性风的风速，（产生的平均误差约为10%）；且只能测量水平方向的风。2.1 风能资源测量仪器及其工作原理2 螺旋桨风速计 由螺旋桨和支撑它的水平轴组成，水平轴尾部的叶片起到了对风的作用。与风杯式风速计相同，螺旋桨风速计产生于风速成正比的电信号，以此
4、实现对风速的测量和记录。2.1 风能资源测量仪器及其工作原理2 螺旋桨风速计螺旋桨风速计的基本规格参数 技术指标 参数 技术指标测量范围/(m/s)050 运行温度范围/-4060启动风速/(m/s)运行湿度范围（%）0100距离常数/m 风向（）0360表2-2 螺旋桨风速计的基本规格2.1 风能资源测量仪器及其工作原理3 超声波风速计 超声波风速计是利用超声波时差法来实现风速的测量。由四个四面体构成，每个四面体角上设置了一个超声波发送器和接收器。其中一个向另外三个传感器发送超声波，在风的作用下导致声音延时到达另外一个传感器，电子测定仪就是通过这种延时来测定水平方向和竖直方向的风速。2.1
5、风能资源测量仪器及其工作原理 超声波风速计在测量水平方向风速的同时可附带测量竖直方向的风速。由于它很好地克服了机械式风速风向仪固有的缺陷，因此测量精度高，能全天候地、长久地正常工作，越来越广泛地得到使用，若采用抗腐蚀材料制造超声波风速计，可进一步降低日常维护费用。因此它将是机械式风速仪的强有力替代品。由于此风速计敏感度高，因此成本高，需配备加热设备以保证设备不受冰雪天气影响。2.1 风能资源测量仪器及其工作原理4 皮托（普朗特）管风速计 皮托管风速计由一个带直角弯角的短管和压力测量设备组成，弯管垂直置于流体中，出口正对来流方向。当流体（气体）流至弯管时无法继续向前流动，此时测量的压力为停滞压强
6、（即总压力）。2.1 风能资源测量仪器及其工作原理4 皮托（普朗特）管风速计 伯努利方程 式中 V 流体的速度；停滞压力或总压力；静态压力；流体的密度。由上式可以求得流体速度为2.1 风能资源测量仪器及其工作原理4 皮托（普朗特）管风速计 皮托管风速计技术指标名称 测量单位量程（m/s）精度（%）皮托管风速计 m/s,fpm(英尺/分钟)0.140 0.5(max)分辨率/（m/s）温度/差压范围/kP a0.001-20800 1.25表2-3 皮托管的技术指标2.1 风能资源测量仪器及其工作原理5 热线式风速计 将一根通电加热的细金属丝（称热线）置于气流中，热线在气流中的散热量与流速有关，
7、而散热量导致热线温度变化而引起电阻变化，流速信号即转变成电信号。散热的速率与风速的二次方根呈线性关系。2.1 风能资源测量仪器及其工作原理5 热线式风速计 热线式风速计分旁热式和直热式两种。旁热式锰铜丝（电阻温度系数为零）直热式铂丝（可直接测量热线本身温度）当风速发生较小变化时，金属探针温差大，易于检测，因此热线式风速计在小风速时灵敏度较高，适于对小风速的测量。2.1 风能资源测量仪器及其工作原理5 热线式风速计热线式风速计分辨率：热线式风速计0 4.99m/s 5 50m/s分辨率/（m/s）0.01 0.1优点：热线式风速计具有良好的响应能力，时间常数为几十毫秒，用于大气湍流和农业气象测量
8、。缺点：受环境影响较大，空气中杂志沉积在金属探针，影响测量特性，引起误差，降低测量频率；环境温度过高会引起测量误差。2.1 风能资源测量仪器及其工作原理2.1.2 风向计 风向计是一种测定风向的显示仪器。风向计有风向袋、风信鸡、风向标等几种。2.1 风能资源测量仪器及其工作原理2.1.3 大气温度传感器由传感导体、防护盘和接口设备组成。常见元件还有热敏电阻，电阻热探器和半导体。2.1 风能资源测量仪器及其工作原理2.1.4 大气压力传感器大气压力传感器是通过利用电压效应产生电压信号，并转化成标准输出（4 20mA/1 5VDC）存储在数据记录仪中。需要外部电压供电。2.1 风能资源测量仪器及其
9、工作原理2.1.4 大气压力传感器大气压力传感器主要技术规格测量范围 准确度15 115kPa 1.5kPa实际应用中注意传感器型号与数据记录仪之间的兼容匹配性。2.1 风能资源测量仪器及其工作原理2.1.5 数据记录仪 数据记录仪（风资源自动记录仪）就将风速风向仪、温度传感器、压力传感器等测风仪器所测得的数据采集记录，并保存备份在存储介质（存储卡）中的仪器。主要技术参数有：1）采样间隔；2）数据记录间隔；3）数据记录格式；4）数据采集方式；5）无线传输方式；6）记录仪供电方式。2.1 风能资源测量仪器及其工作原理2.1.5 数据记录仪完成数据收集后 数据验证和数据处理检查数据完整性和合理性
10、数据验证数据范围测试、相关性测试、趋势测试数据验证程序数据分析指标 风切变指数、湍流强度、功率密度2.1 风能资源测量仪器及其工作原理 记录仪中的参数是指其内部记录功能参数，每隔2s采样一次数据，并记录每10分钟的最大最小值、平均值以及标准偏差，主要用于后期数据处理。平均风速：所有参数均需计算10分钟的平均值。标准偏差：风速风向需要计算标准偏差值。最大值和最小值：在指定区间内，以2s为采样间隔所得风速和温度的最大最小读数。2.2 测风塔的结构、地点选择和传感器安装2.2.1 测风塔结构类型定义：测风塔是用于安装风速、风向等传感器以及风数据记录器、测量气象参数的高耸结构。构造：测风塔由塔底座、塔
11、柱、传感器支架、避雷针、杆体、拉线等组成。按结构类型分：桁架型和圆筒型按测风塔矗立方式分：自立型和拉线式风电场最常见的是桁架拉线型。2.2 测风塔的结构、地点选择和传感器安装2.2.1 测风塔结构类型优点：桁架型结构形式比较稳定，塔架承受风的载荷较小，抗风能力强。桁架型结构分三角形桁架和四边形桁架，其中三角形桁架最为经济，当三角形桁架无法满足受力及变形要求或经济要求时，可选用四边形桁架结构。立杆拉线型测风塔受力较为合理，可靠性高，塔体截面小，材料用量少，但是拉线基础数量多，施工工艺复杂。2.2 测风塔的结构、地点选择和传感器安装2.2.1 测风塔结构类型在风电场建设测风塔时，多采用钢绞线斜拉加
12、固的方式。在沿海地区，设计建设的测风塔其结构要能承受当地30年一遇的最大风载的冲击。并且表面应涂有防盐雾腐蚀涂层，即表面要进行防腐蚀处理。2.2 测风塔的结构、地点选择和传感器安装2.2.1 测风塔结构类型2.2 测风塔的结构、地点选择和传感器安装2.2.2 测风塔高度选择 为了计算风电场的风切边特性，模拟不同风电机组轮毂高度下的风况以及进行数据备份，在测风塔安装时就选择多个不同的测风高度。在安装测风塔时，最高高度不应低于拟安装风电机组的轮毂高度，其余高度按10m的整数倍进行选取。2.2 测风塔的结构、地点选择和传感器安装2.2.2 测风塔高度选择 以70米测风塔为例介绍不同测风高度的用途：7
13、0m：风电机组轮毂高度。轮毂高度范围通常情 况下为：65110m60m：所得数据检验数据合理性或插补缺测数据。25m：风电机组叶片最低高度，用于计算扫掠面 积内风能的情况。10m：标准气象测量高度。2.2 测风塔的结构、地点选择和传感器安装2.2.3 测风塔地点和数量选择测风塔地点选择的基本原则：尽量远离障碍物2.2 测风塔的结构、地点选择和传感器安装2.2.3 测风塔地点和数量选择 要求：测风塔所选位置的风况要基本代表该风电场的风况。考虑因素：土地利用、建筑许可、入场道路、地形地貌等。与单个障碍物距离应大于其高度的3倍；与成排障碍物的距离应大于其高度的10倍以上。测风塔地点选择的要求：2.2
14、 测风塔的结构、地点选择和传感器安装2.2.3 测风塔地点和数量选择 测风塔数量依风电场地形复杂程度而定，对于地形平坦的风电场选择1处测风塔，每个测风塔能覆盖2030MW的容量。地形复杂时需要多出测风塔。风资源测量时间至少1年。测风塔的地点和数量现在地形图上确定，再进行实际勘察、调整并最终确定。测风塔数量选择的要求：2.2 测风塔的结构、地点选择和传感器安装2.2.3 测风塔传感器的安装 测风传感器在塔架上用支架安装，设法减小塔架、支架、传感器和其他设备对所测参数的影响。风速仪风向仪风向仪 温度计压力计避雷针数据采集器 减少塔影效应2.2 测风塔的结构、地点选择和传感器安装2.2 测风塔的结构
15、、地点选择和传感器安装 风向标“死区”2.2 测风塔的结构、地点选择和传感器安装 风向标“死区”2.3 风能资源评估方法 建设风电场最基本的条件是要有能量丰富、风向稳定的风能资源，风电场场址应选择风能资源丰富的地点。因此风能资源的评估工作至关重要，将直接影响风电场经济效益。2.3 风能资源评估方法风能资源评估的内容包括：气象资料的整编、测风资料的分析、风场测风数据的订正（依据风电场风能资源评估方法GB/T18710-2002）、风能参数的计算、绘制风能资源分布图、风电机组发电量计算等。2.3 风能资源评估方法2.3.1 风资源评估所需基础资料 收集气象、地理及地质数据，对其进行分析归类，从中筛
16、选出具有代表性的完整数据资料。风电场测风塔各高度实测10分钟平均风速、风向资料，测风时间至少1年。2.3 风能资源评估方法2.3.2 气象站资料分析 气象站资料的分析主要是检验气象站周围环境的变化和仪器的变更，从中判断数据是否具有代表性。根据长系列风向资料判断该地区的主风向及风能。2.3 风能资源评估方法2.3.3 测风资料分析 测风资料的分析主要是对测风数据完整性和合理性的检验以及对不合理数据和缺测数据的处理。1.完整性检验 数据完整性检验主要是考察所测数据的数量和 时 间 顺 序。实 测 数 据 数：52560（闰 年52704）2.3 风能资源评估方法2.3.3 测风资料分析2.合理性检
17、验 数据合理性检验包括范围检验、相关性检验和趋势检验。主要参数 合理范围风速 0V60m/s风向 0D360平均气压（海平面）94 kPaP1060kPa湍流强度 0I1表2-4 主要参数合理范围参考值2.3 风能资源评估方法2.3.3 测风资料分析表2-5 测风塔相关性检验统计表2-6 测风塔趋势检验统计主要参数 合理相关性50m/30m高度小时平均风速差值 2.0 m/s50m/10m高度小时平均风速差值 4.0 m/s50m/30m高度风向差值 22.5主要参数 合理变化趋势1小时平均风速变化6 m/s1小时平均温度变化53小时平均气压变化1 kPa2.3 风能资源评估方法2.3.3 测
18、风资料分析3.不合理数据和缺测数据的处理a.检验后列出所有不合理的数据和缺测的数据及其发生的时间。b.对不合理数据再次进行判别，挑出符合实际情况的有效数据，回归原始数据组。c.将备用的或可供参考的传感器同期记录数据，经过分析处理，替换已确认为无效的数据或填补缺测的数据。2.3 风能资源评估方法3.数据检验结论 根据风电场风能资源评估方法GB/T 18710-2002的 要 求，有 效 数 据 完 整 率 应 在90%以上。2.3 风能资源评估方法2.3.4 测风数据订正1.目的：数据订正是根据风场附近长期测站的观测数据，将验证的风场测风数据订正为一套反映风场长期平均水平的代表性数据，即风场测风
19、高度上代表年的逐小时风速风向数据。2.3 风能资源评估方法2.3.4 测风数据订正2.数据订正的理想条件：a）同期测风结果的相关性较好；b）具有30年以上规范的测风记录；c）与风场具有相似的地形条件；d）距离风场比较近。2.3 风能资源评估方法3.数据订正方法：2.3 风能资源评估方法3.数据订正方法：2.3 风能资源评估方法2.3.5 数据处理（风资源参数计算）将订正后的数据处理成评估风场风能资源所需要的各种参数，包括不同时段的平均风速和风功率密度、风速频率分布和风能频率分布、风向频率和风能密度方向分布、风切变指数和湍流强度等。2.3 风能资源评估方法 1.空气密度 2.3 风能资源评估方法
20、 如果没有风场大气压力的实测值，空气密度可以作为海拔高度（z）和温度（T）的函数，按照下式计算出估计值：2.3 风能资源评估方法 2.平均风速、风功率密度 平均风速是最能反映当地风能资源情况的参数，分为月平均风速和年平均风速。一般使用年平均风速，即全年瞬时风速的平均值。平均风功率密度的计算应是设定时段内逐小时风功率密度的平均值，不可用年（或月）平均风速计算年（或月）平均风功率密度。2.3 风能资源评估方法2.3 风能资源评估方法 2.平均风速、风功率密度 Dwp中的必须是当地年平均计算值。它取决于温度和压力（海拔高度）。2.3 风能资源评估方法 3.风速年变化、日变化 用各月的风速（或风功率密
21、度）日变化曲线图和全年的风速（或风功率密度）日变化曲线较，与同期的电网日负荷曲线对比；风速（或风功率密度）年变化曲线图，与同期的电网年负荷曲线对比，两者相一致或接近的部分越多越好。2.3 风能资源评估方法 4.主要风向分布 风向及其变化范围决定风电机组在风电场中的确切排列方式，风电机组的排列方式很大程度上决定机组的输出功率，从而决定风电场的效益，因此，主要盛行风向及其变化范围的数据精确程度很重要。2.3 风能资源评估方法 5.50年一遇最大风速 通过长系列数据计算出气象站50年一遇最大平均风速后，再通过相关性分析，推算风电场轮毂高度处50年一遇的最大风速。2.3 风能资源评估方法 6.湍流强度
22、 湍流强度是标准风速偏差与平均风速的比率，是描述风速随时间和空间变化的程度，反映脉动风速的相对强度。IT值在0.10或以下表示湍 流 相 对 较 小，中 等 程 度 湍 流 的 IT值 为0.100.25，更高的IT值表明湍流过大。2.3 风能资源评估方法 7.风切变指数 风速随高度增加而增大的趋势变化曲线称为风廓线，其变化规律称为风切变规律。风速随高度的变化，是风速受地面粗糙程度的影响而引起的。2.3 风能资源评估方法 7.风切变指数 2.3 风能资源评估方法 8.年风能可利用时间 年风能可利用时间是指一年中风电机组在有效风速范围（325m/s）内的运行时间。风能可利用时间在2000h以上的地区为风能可利用区。2.3 风能资源评估方法2.3.6 风能资源评估的参考判据 参考国家标准风电场风能资源评估方法GB/T 18710-2002中“6 风能资源评估的参考判据”的规定。2.4 风能资源评估软件风能资源的评估软件 uWAsP软件uWindFarmer软件uWindSim软件uMeteodyn WT软件uWindPRO软件