h——待测点离地高度；
n——指数，由大气稳定度和地表的粗糙程度来决定，其值约为1/2～1/8。稳定度居中的开阔平地取1/7，粗糙度大的大城市常取1/3，一般上下风速差较小，n较小，反之n值取大。
风速随高度变化及其大小情况，因地面的平坦度，地表粗糙度以及风通道上的气温变化不同而异。特别是受地表粗糙度的影响程度最大。
C、风的随机性变化：
自然风是一种平均风速与激烈变动的瞬间紊乱气流相重合的风。气流紊乱主要与地面的摩擦，除此之外，当风速与稳定层是垂直分布时会产生重力波，在山风下测也会产生山岳波等。这种紊乱气流不仅影响风速，也明显影响风向。
利用风力驱动风力机时，因此收集关于风向变化的资料也是很重要的。
如果按时间区分，可将风向的变化区分为：X一年或一个月内风向的趋势；??短时间内变动的紊乱气流；??介于两者之间的平均风向。对于第一种风向的变化状况，如制成风向玫瑰图（风向频度），便可清楚地看出风向的大致趋势，如图7.4。对风速，一般采用年平均风速时间曲线（表示一地方一年中各种风速小时数）来进行记录。如图7.5。
16
图 风玫瑰图
图 年平均速度时间曲线
风能资源
空气运动具有动能，如果风力机风轮的断面积为A，则当一般体积为AV的空气在单位时间内流经风轮时，该空气传递给风轮的风能功率（一般称为风能）为
P=
121
ρv?Av=ρAv3 (7.2.1-2) 22
3
式中ρ——空气密度（Kg/m）；
2
A——风力机叶片旋转一圈所扫过的面积（m）；
V——风速（m/s）；
P——每秒钟空气流过风力机风轮断面积的风能，即风能功率（W） 如果风力机的风轮直径为D，则
A=
这时 P=
π4
D2 (7.2.1-3)
13π2πρv×D=ρD2v3 (7.2.1-4) 248
若有效风速时间为t，则在时间t内的风能为
E=P?t=
π8
ρD2v3t (7.2.1-5)
2
3
由上式可知，风能与空气密度ρ、风轮直径的平方D·风速的立方V和风持续时间t
成正比。一般说来，一定高度范围内的空气密度可以认为是一个常数。因此，当风力机的风轮越大，有效风速时间越长，特别是风速越大，则风力机所能获得的风能就越大。
17
表征一个地点的风能资源潜力，要视该地区常年平均风能密度的大小。风能密度是单位面积上的风能，对于风力机来说，风能密度是指风轮扫过单位面积的风能，即
32
W=ρ/A=ρ1/2V（W/m） (7.2.1-6)
2
式中 W——风能密度（W/m）；
3
ρ——空气密度（Kg/m）； V——风速（m/s）。 常年平均风能密度为
1W=
T
∫
T
0
13
ρvdt (7.2.1-7) 2
2
式中， W－平均风能密度(W/m)
T－总的时间(h)
在实际应用时，常用下式来计算某地年（月）风能密度，即
W年（月）＝
W1t1+W2t2+???+Wntn
(7.2.1-8)
t1+t2+???+tn
2
式中： W年（月）－年（月）风能密度（W/m）；
2
Wi（1≤i≤n）－各等级风速下的风速密度（W/m） Ti（1≤i≤n）－各等级风速在每年（月）出现的时间（h）。
3
在我国，风力资源比较丰富。据估计，我国风能储量为2.2×10千瓦时以上。
２．２ 风力机
1、分类
风力机是风能利用中一种最重要的风能转换装置。风力机可用于发电、提水、搅拌池水充氧和致热等。它主要有下列三种分类方法：
X按风力机功率：分为大中小型风力机。功率在10千瓦以下的风力机叫小型风力机，10至100千瓦叫中型风力机，100千瓦以上叫大型风力机。
??按风力机风轮轴位置：分为水平轴风力机和垂直轴风力机。水平轴风力机的风轮轴与风向平行（图7.6），而垂直轴风力机的风轮轴与风向垂直（图7.7）
??按风轮转速：分为高速风力机和低速风力机。
18
图水平轴风力发电机
1－风轮；2－调速控制系统；3－发电机（做功装置）；4－尾轮（方向控制）；
5－蓄电池（储能装置）；6－塔架；7－轮壳。
图 垂直轴风力机
2、风力机的性能和特点
（1） 功率吸收
风轮从风中吸收的功率等于风轮效率几乘以通过风轮扫掠面的体积流量VTAT，再乘上压力加动能变化Δθ之和：
P=ηVTAT(Δρ+Δθ)
19
对于常规的水平轴风力机，设风的初始速度为V0，当空气接近风轮时，空气速度逐渐减小，直到通过风轮，并离开一段距离，速度却是下降的。当空气的速度增加，直到速度达到初始速度。
图 水平轴风力机的最佳性能
当空气吹过风轮时，单位体积的空气的压力能和动能之和是常数。压力能增加，动能减小。在风轮面上，压力能达到最大。当空气通过风轮时，空气将动能传给风轮，压力能大大下降，低于大气压。当空气离开风轮向后运动时，空气压力增加，直到达到大气压。空气通过风轮后，它的动能进一步下降，直到它的压力恢复到大气压。
流经风轮的气流流管的横截面积与空气的速度成反比，当空气流向风轮，通过风轮，直到离开它一段距离，空气的流管是膨胀的。当扰动的空气从周围的风中吸取动能之后，由于气流中的扰动弥散，风轮的影响消失。
风轮的效率（功率）系数定义为风轮提供的功率除以风轮扫掠面内气流的总有用功率：
功率系数： Cp＝风轮提供功率/
1
ρATV03 (7.2.1-10) 2
从动量理论得知：风轮从空气中吸收的最大能量是通过风轮空气的动能的九分之八。这时，风速的最大损失是空气初始速度V0的三分之二。
风轮的最大功率系数为：
ρmax
AT
ρV022?8(ρV02)?
(7.2.1-11) =V0?=0.593?3?92?2
3
其中，ρV0/2是空气单位体积的功率密度。系数0.593称为贝兹系数，这是风轮的最大功率系数。
（2） 典型功率系数
理想风轮的功率系数随叶片尖端速度与风速之比（尖速比λ）而变化。当尖速比λ达到5或6时，功率系数达到最大0.59。
20
太阳能电池培训手册【下】
