风电科普 | 风能开发重点环节，测风与风资源评价

当今，风电行业正在蓬勃发展。对于新手来说，了解风电测量评估的基础知识是必不可少的。它可以帮助您更好地理解风力发电机组的运作原理、优化风场选址及提高能源利用率。在这篇文章中，我们将为您介绍有关风电测量评估的相关知识，让您轻松掌握风电领域的基础知识，迈出成功的第一步！

风电知识科普当今，风电行业正在蓬勃发展。对于新手来说，了解风电测量评估的基础知识是必不可少的。它可以帮助您更好地理解风力发电机组的运作原理、优化风场选址及提高能源利用率。在这篇文章中，我们将为您介绍有关风电测量评估的相关知识，让您轻松掌握风电领域的基础知识，迈出成功的第一步！

01风是如何测量的

风电场测风是风能资源开发的一个重要环节，也是风能资源开发的前提和基础，它对风电场的设计、建设具有重大影响，做好风电场的测风对于风能开发具有重要的意义。风电行业以前测风塔多由气象、环保部门建造，用于大气观测和大气环境监测。伴随着我国风电的快速扩张，我国政府、新能源企业等开始投资建立测风塔，以保证风电场投资建设获取第一手风能资料。近些年随着全球对风能资源的普遍关注和风力发电行业的高质量发展，雷达测风、虚拟测风等一些设备和技术也逐渐普及。

一、测风设备

目前使用的风电场测风设备主要有：测风塔、激光雷达测风仪、声波雷达测风仪等；主要用于陆地和海上测风。如下图所示：

目前在陆上风电和滩涂地区的风电开发项目，较为常用的是桁架式结构和圆筒式结构测风塔，此类测风塔安装较为简便，可以不使用大型安装设备，以下主要介绍此类测风塔的结构及性能。

1、常用测风塔介绍

风资源测量的主要风资源参数包括：风速、风向、温度、气压和湿度。所采用的测量仪器包括：风速计、风向标、温度计、气压计和湿度计等。

（1）测风塔概述
测风塔的组成包括：塔底座、横杆、斜杆、风速仪支架、避雷针、拉线、测风软件以及风杯、风向标等传感器。测风塔架设在风电场场址内，多为桁架式结构和圆筒式结构，采用钢绞线斜拉加固方式，高度一般不低于拟安装风机的轮毂高度。在塔体不同高度处安装有风速计、风向标以及温度、气压等监测设备。全天候不间断地对场址风力情况进行观测，测量数据被记录并存储于安装在塔体上的数据记录仪中。

（2）测风塔的安装要求

测风塔应具备结构安全、稳定、轻便，易于运输、安装及维护，风振动小，塔影影响小及防腐、防雷电等特点，测风塔应能抗击当地最大阵风冲击以及10~20年一遇的自然灾害（如暴雨、洪水、泥石流、凝冻结冰等）。对于有结冰凝冻气候现象的风电场，在测风塔设计、制作时应予以特别考虑。测风塔的形式可根据风电场的自然条件和交通运输条件，选用桁架形拉线塔、圆筒形拉线塔、桁架形自立塔中的一种，以满足测风要求为原则。测风塔的接地电阻应尽量满足规范要求（小于4Ω），若接地确有困难，应尽可能采用降阻剂等措施降低接地电阻；对于多雷暴地区，测风塔的接地电阻应引起高度重视。

（3）测风塔主要设备
测风塔中安装的测风设备包括：风速计、风向标、测风软件、温度计、气压计和湿度计等。

（a）风速计

风速的测量仪器有旋转式风速计、散热式风速计、声学风速计、超声波风速传感器等，风电场通常使用的绝大多数是旋转式风速计。旋转式风速计包括风杯风速计和旋桨式风速计。风杯风速计由3个或4个半球形或抛物锥形的空心壳组成。杯形风速计固定在互成120°角的三叉形支架上或互成90°角的十字形支架上，杯的凹面都顺向一个方向。整个横臂则固定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。另一种旋转式风速计为旋桨式风速计，由一个三叶或四叶螺旋桨组成感应部分，将其安装在一个风向标的前端，使它随时对准风的来向。桨叶绕水平轴以正比于风速的转速旋转。

风速计安装在测风塔已确定的各个高度上。为减小测风塔的“塔影效应”对风速测量的影响，风速计应固定在由测风塔塔身水平伸出的牢固支架上，应与塔体保持一定的距离：桁架式结构测风塔为塔架平面尺寸的3倍以上、圆管型结构测风塔为塔架直径的6倍以上，固定风速计的支架应进行水平校正。安装风速计的支架与测风区主风方向的夹角控制在30~90°。

此外，散热式风速计利用一个被加热物体的散热速率与周围空气的流速有关，这种特性可以用来测量风速，但它主要用于测量小风速。声学风速计没有转动部件，响应快，能测定沿任何指定方向的风速分量，但造价太高。一般测量风速还是使用旋转式风速计。

（b）风向标
风向标是测量风向的最通用装置，有单翼型、双翼型和流线型等，风向标一般是由尾翼、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。
风向标安装在测风塔已确定的高度上。应固定在桁架式结构测风塔直径的3倍以上、圆管型结构测风塔直径的6倍以上的牢固横梁处，迎主风向安装（横梁与主风向呈90°），并进行水平校正。此外，风向标应根据当地磁偏角修正，按实际“北”方向安装。
风向的表示一般用16个方位表示，即为北北东（NNE）、东北（NE）、东北东（ENE）、东（E）、东南东（ESE）、东南（SE）、南南东（SSE）、南（S）、南南西（SSW）、西南（SW）、西南西（WSW）、西（W）、西北西（WNW）、西北（NW）、北北西（NNW）、北（Ｎ）静风即为（Ｃ）。

风向也可以用角度来表示，以正北为基准，顺时针方向旋转，东风为90°，南风为180°，西风为270°，北风为360°。如图4所示。

（c）测风软件
测风软件主要作用是将测风塔所测风速、风向、温度和大气压力等各项指标通过传感器以数据形式记录下来，以便风资源工程师对风资源数据进行后续分析。
目前我国所用测风塔测风软件主要为：NRG软件、NOMAD软件、Second-wind软件和我国气象部门自主研发的测风软件等。

（d）测风设备的布置
测风塔一般应至少布置3层的风速观测装置，同时要布置风向、温度、气压、湿度等气象要素观测以满足今后风能资源评估和设计的有关要求。例如：对于100m高的测风塔，风速观测设置为7层，一般在30m、50m、70m、80m、90m、100m（2套）高度设置。
测风塔的风向观测布置，一般布置两层，分别位于测风塔底层高度和顶层高度。对于特殊情况的风电场（如植被较高等）可适当调整或增加风向观测装置。
其他设备如温度计、气压计和湿度计等一般安装在测风塔5至10m高度的设备箱中。

（e）测风设备的维护和数据管理
目前风电场测风数据的收集、传输一般采用自动方式，同时还可以远程监控。因此，在风电场测风运行期间，应随时注意测风数据、测风设备运行、数据传输是否正常，一旦发现异常，应及时进行处理。除了进行远程监控外，还应定期或不定期到测风现场对仪器设备进行检查，从测风记录存储卡上收集原始测风数据。
按照规范要求，风电场前期测风一般要持续1年以上，因此最好每个月对测风数据进行初步的整理分析，主要对测风数据完整性、合理性、平均风速、平均风功率密度、风向分布等进行统计分析，发现测风过程中存在的问题，及时提出解决的方法和建议。

（f）测风位置的选择
所选测风塔安装地点应在风电场中具有代表性，并且周围比较开阔；附近应无高的建筑物等障碍物，与单个障碍物距离应大于障碍物的3倍，与成排障碍物距离应保持在障碍物最大高度的10倍以上。
测风塔安装的数量应依风电场的地形复杂程度而定，对于地形较平坦的风电场，可选择在场址中央选择有代表性的位置建立1-2基测风塔；对于地形复杂的风电场，测风塔的数量应根据地形的复杂程度适当增加。

02风是怎么评估的

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。对风电场风能资源的评估是整个风电场建设、运行的重要环节，是风电项目的根本，也是风电场建设取得良好经济效益的关键。现有的风能资源评估的技术手段有3种：基于气象站历史观测资料的评估、基于测风塔观测资料的评估和风能资源评估的数值模拟。

风电场风能资源评估的主要内容有空气密度、风切变、湍流强度、年日变化、风速频率和风向等。通过对这些要素的分析，我们可以对风电场的风能资源情况有一个了解和判断。为风机选型和电量等后续工作做好准备工作。

只有了解了一个风电场的风资源情况，我们才能去评估它的可利用价值，为项目的评估和建设提供一个前提依据，最终通过经济评价来确定一个风电项目的可行性。

一、风电场风能资源分析的依据

风资源分析的依据，来源于测风塔的实测数据。根据《风电场风能资源测量方法》GB/T18709-2002标准中的相关规定，风速数据现场采集的完整率大于98%。

通过对数据完整性和合理性的检验，对不合理数据进行分析判断，整理出测风塔的连续一年的实测数据，根据GB/T18710-2002标准规定，需满足风电场工程可行性研究报告编制办法（发改能源[2005]899号）中的要求，最后得到有效数据完整率要大于等于90%。

二、风电场风能资源分析的基本要素

1、空气密度

密度是物质的一种特性，不随质量和体积的变化而变化，只随物态（温度、压强）变化而变化。在一定的温度和压力下，每立方米空气所具有的质量就是空气密度。

一般情况下空气密度的计算方法有如下两种：

（1）当测风塔具有气温、气压及湿度观测时，按以下公式直接计算轮毂高度的空气密度（kg/m3）：

式中：T 、P 、E 分别为气温（℃）、气压（hPa）及水汽压（hPa）。

（2）当具有温度和气压数据时，可以根据如下公式进行计算： 

其中：P 为平均空气密度（kg/m3），P为年平均气压（hPa），R为气体常数（287J/kg.K），T为年平均空气开氏温标绝对温度（℃＋273）。

2、平均风速

给定时间内瞬时风速的平均值，给定时间从几秒到数年不等。

3、风切变指数

我们通常把空间两点之间平均风矢量的差异，即在同一高度或不同高度短距离内风向和风速的变化称为风切变。从风场情况来看，风切变主要可由以下三种基本情况来表示：

（1）水平风的垂直切变。这是指水平风在垂直方向上两个不同高度点之间的风向和风速的变化。

（2）水平风的水平切变。这是指水平风在水平方向上两个不同距离点之间的风向和风速的变化。

（3）垂直风的切变。这是指上升或下降气流（垂直风）在水平方向（或航迹方向）上的变化。

产生风切变的原因主要有两大类，一类是大气运动本身的变化所造成的；另一类则是地理、环境因素所造成的。有时是两者综合而成。我们通常关注的是水平风的垂直切变，即风在垂直于风向平面内的变化。它反映了风速随高度的变化趋势。

风切变指数计算公式:

 式中，分别为高度，Z_n的风速，α为风切变指数，其值与地面粗糙度有关。风切变指数对于风电机组的设计非常重要，同一台风力发电机组在不同的高度，获得的风能是不同的。例如，一个测风塔分别在60m和80m处测得年均风速为6.8m/s和7.3m/s，轮毂高度为120m，由公式可以求出风切变为：

如果认为80m与120m之间的风切变保持不变，则可按如下方法计算120m高度处风速。令=80m，=120m，则=7.3m/s，得到： 

4、湍流强度

湍流是描述风速随时间和空间变化的强度指标。根据IEC标准规定，风电场湍流强度是指10分钟内风速随机变化幅度大小，是10分钟平均风速的标准偏差与同期平均风速的比率，是风机安全等级分级的重要参数之一。

湍流强度是标准风速偏差与平均风速的比率。它是衡量湍流强弱的相对指标。湍流强度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，是描述大气湍流运动特性的最重要的特征量。环境湍流强度计算公式为： 

式中，为σ风速的标准偏差，v为平均风速。

众所周知，位于下风向的风电机组将受到来自上风向风电机组尾流的影响。尾流影响不仅降低了下风向风机的出力水平，而且增加了下风向风机的湍流强度。因此，确定风电机组湍流强度等级不仅取决于环境湍流强度，更应考虑因为风机尾流产出的湍流强度。风电场中风机承受的有效湍流强度由环境湍流强度和因为风电机组彼此之间尾流产生的湍流强度两部分组成。

5、五十年一遇计算方法

方法一：极值Ⅰ型估算50 年一遇最大10分钟平均风速。风速的年最大值x采用极值I型的概率分布，其分布函数为： 

式中，u —分布的位置参数，即分布的众值；α—分布的尺度参数。分布的参数与均值μ和标准差σ的关系按下式确定： 

其中，Vi为连续n个年最大风速样本序列，系数c1和c2见下表：

 方法二：以五日最大风速取样法估算不同高度50年一遇最大10分钟平均风速。

风电场风资源评价要求有连续一整年的场内实测风数据，用此测风序列逐日选取不同高度上的五日最大10分钟平均风速样本，用于估算50年一遇的最大10分钟平均风速。

测站50年一遇最大风速按下式计算： 

方法三：用欧洲风电机组标准Ⅱ的方法估算风电场50年一遇最大和极大风速。

欧洲风电机组标准中建议：在中纬度地区，当威布尔（Weibull）分布的形状参数1.77≤k<2.0时， 

是适合的（其Vref是50 年一遇的最大10分钟平均风速，Vave是年平均风速）；50 年一遇的极大3秒钟平均风速一般是最大10min平均风速的1.4倍。

6、风速与风功率密度年变化

风速与风功率密度年变化是指以年为基数发生的变化。风速年际变化是从第一年的1月到12月的月平均风速（或风功率密度）变化。

由于我国属于典型的季风气候区，平均风速随季节而变化，并且有明显的年变化规律。平均风速的年变化、日变化规律取决于纬度和地貌特征。风功率密度的变化较其风速变化更进一步地反应了风电场风况特征，它蕴含了风速、风速分布和空气密度的共同影响。下图为我国某风电场的风速与风功率密度年变化图。 

图2-1 风速风功率密度年变化曲线图

7、风速与风功率密度日变化

风速与风功率密度日变化以日为基数发生的变化。某地气象要素在一日内有规律的周期变化。例如气压日变化、温度日变化、风速日变化等。它们体现了由于日夜更替所引起的周期性变化，而不包括因天气形势变化（例如气团平流变化）所引起的非周期变化。下图为我国某风电场的风速与风功率密度日变化图。 

图2-2 风速风功率密度日变化曲线图

8、风速与风能频率

风速频率是在一个月或一年的周期中，某风速段内时间频次占总时间数的百分比，风能频率是该风速段内能量与总能量之比。

通过风速频率，可以了解风速的分布，选择合适的机型，例如下图所示，此风频分布适合于中低速风速段出力较高的风力发电机组。也可以利用风速频率和风力发电机组功率曲线直接估算风电场电量。 

图2-3 风速风能频率变化直方图

9、风向与风能玫瑰图

风向与风能玫瑰图表示风速与风能在各方向内的频率占比和能量占比。风向玫瑰图是将某一段时间内风速观测的次数，按方位分类统计，然后将每一方位的观测次数，除以该段时间内观测的总次数，再乘以100即得到各种风向的风向频率。风能玫瑰图是统计一段时间内，各方向内能量与总能量之比。 

图2-4 风向频率玫瑰图（左）和风能频率玫瑰图（右）

通过风向玫瑰图，可以了解到风电场的盛行风向，在排布时，垂直当地的盛行风向。了解当地的盛行风向对微观选址具有重要的意义，可以避开盛行风向上的障碍物，当然，当地地形条件对风向的分布也具有决定作用。

10、代表年说明及订正方法

现我国一般陆上风电场的运行期为20年（风力发电机组运行寿命为20年；海上风电场运行多为25年），为了保证我们评估的风能资源数据具有20年的代表性，所以要对风电场短期的风能资源数据（实测数据），结合附近有代表性的长期测站的观测资料，将验证后的风电场短期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进行风资源分析，即为代表年数据。

代表年订正的最常规方法为：

（1）对风电场测站与长期测站同期的各风向象限的风速进行相关分析，将测风塔10m高度处的测风资料与气象站同步实测的风速、风向数据进行16个风向扇区的相关分析，相关函数采用线性方程y=kx+b（y代表风电场风速，代表气象站风速）。

（2）根据气象站测风年与所选长期系列风速差值，对每个风速相关曲线，在横坐标轴上标明长期测站多年的年平均风速以及与风电场测站观测同期的长期测站年平均风速，然后在纵坐标轴上找到对应的风场测站的两个风速值，并求出这两个风速值的代数差值。

（3）风电场测站数据的各个风向象限内的每个风速都加上对应的风速代数差值，即可获得订正后的风电场代表年风速风向资料。

来源：北极星风电学社