2.5　风的特性

风速和方向随时间连续地发生变化，能量和功率也随之发生改变，表现出了极大的随机性。这种变化存在短期波动，也存在昼夜变化和季节变化。

2.5.1　风速

风速是描述风特征的一个重要参数。图2-14所示为在30s内风速变化曲线，可以看出，风速在5.1～7.2m/s范围内波动，这种波动表现出极大的随机性。风速的短期变化主要由当地的地理和气候引起。

图2-15所示条形图表示了某地区昼夜24h的风速变化规律。昼夜速度改变主要由海上和陆地表面之间的温差引起。从图2-15中可以看出，普遍规律是白天的风较强，晚上的风较弱。应当指出，图2-15这样昼夜风速变化规律对风力发电非常有利，因为白天用电负荷比夜间用电负荷要大得多。

图2-16所示为某地区一年12个月的风速变化情况。由于地球的倾斜和椭圆形绕日轨道，导致各个季节风速不同，其主要原因是一年中白天的变化。这种效应在两极处更加突出。由年风速-时间曲线可以得到年平均风速，年平均风速可以简单初步地衡量一个地区的风资源状态。

2.5.2　风向

风向是描述风特性的又一重要参数。气象上把风吹来的方向定为风向。

风来自北方，称为北风；风来自南方，称为南风。气象台预报风时，把风向在某个方向左右摆动不能确定时，则加以“偏”字，如在北风方位左右摆动，则称为偏北风。风向测量单位，陆地一般用16个方位表示，海上则多用36个方位表示。若风向用16个方位表示，则用方向英文首字母的大写组合来表示方向，如北东北（NNE）、东北（NE）、东东北（ENE）、东（E）、东东南（ESE）、东南（SE）、南东南（SSE）、南（S）、南西南（SSW）、西南（SW）、西西南（WSW）、西（W）、西西北（WNW）、西北（NW）、北西北（NNW）、北（N）。静风记“C”。风向是风电场选址的一个重要参考因素。若欲从某一特定方向获取所需的风能，则必须避免此气流方向上存在任何的障碍物。

早期用风向仪中的风向标来确定风向。现在，大多数风速仪可同时记录风向和风速。图2-17所示为一典型的风向仪装置，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。风向仪可以测定风向，一般安装在离地面10m高度的测风塔上，如果附近有障碍物，则风向仪至少要高出障碍物6m高度。

定义在一定时间内各种风向出现的次数占所观测总次数的百分比为风向频率。

风速频率反映了风速的重复性，指在一个月或一年的周期中发生相同风速的时数占这段时间刮风时数的百分比。

风速和风向的信息都可以风玫瑰图的形式呈现。风玫瑰图表示不同方向的风特性分布示意图，该示意图被划分成8、12甚至16等分的空间区域来表示不同的方向，根据各方向风特性出现的频率按相应的比例长度绘制在该图上，如图2-18所示。

风频玫瑰图可表示三类信息：①盛行风向，根据当地多年观测资料的年风向玫瑰图，风向频率较大的方向为盛行风向，以季度绘制的风玫瑰图可以呈现出四季的盛行风向；②风向旋转方向，在季风区，一年中风向由偏北逐渐过渡到偏南，再由偏南逐渐过渡到偏北，也存在一些地区，风向不是逐步过渡而是直接交替，风向旋转不存在；③最小风向频率，指与两个盛行风向对应轴大致垂直的两侧为风向频率最小的方向，当盛行风向有季节风向旋转性质时，最小风向频率应该在旋转方向的另一侧。

用同样的方法表示各方向的平均风速，称为风速玫瑰图。用相同方法表示不同方向获取的能量，称为风能玫瑰图。图2-18所示为某一场址的风频玫瑰图、风速玫瑰图和风能玫瑰图。

2.5.3　湍流

风速特性的观察记录表明，风具有湍流特性，即风向和风速在不停地发生改变。甚至在极短的时间内，会有相当大的变化，这种在极短的时间产生的50%或者更高的风速突变为阵风。突变的风速有时增大，有时减小。通常把速度突然减小的阵风称为负阵风。

图2-19所示为8min内风速风向随时间的瞬时变化过程。对于风力机而言，计算载荷、设计功率调节系统和设计对风系统等，都需要准确地了解瞬时风速、风向的变化。

风向和风速的瞬时变化可以看成是均匀气流和旋流的叠加。一个切向速度Δv的简单旋流，被速度为vm的均匀气流所夹带，其方向和速度的变化规律为

当vm和Δv的方向相同时，速度最大；当vm和Δv的方向相反时，速度最小。据实际统计，Δv/vm的值一般为0.15～0.4。设Δv的大小固定，则可写为

由此可得

设β为vm和瞬时风速v之间的最大夹角，则风向波动的最大幅度为

观察表明，风速、风向在垂直方向的变化很小，仅为水平方向变化的1/10～1/9，所以在风能利用中应该更加关注风在水平方向上的速度波动。

在实际测试风的紊流脉动变化时，应有足够快的采样速度（最小1Hz），且常采用标准差与某一测试时间内平均值的关系式来计算脉动，即

典型的紊流特性是在平均风速的上下10%～20%内浮动。

在某一时间段内，最大风速估算的理论公式为

风向突变在暴风雨发生前更加明显。表2-2给出了一组风场实测的风向数据。这种情况出现的时间频率为2年/次，故在设计风力机时，必须计算几分钟内180°的风向突变及相应的风速突变。

对于风速突变，要考虑阵风的产生。通常用阵风系数G来表示阵风的大小，即最大风速vmax对于平均风速vm的比值，。一般定义是阵风风速与时距10min的平均风速之间的比值，以确定任意给定时间内的最大（最小）阵风风速。一般地，湍流强度越大，阵风系数也越大；阵风持续时间越长，阵风系数越小。在气象学中，常用阵风系数G以及阵风时间t来描述阵风。阵风大小取决于平均时间、采样速率、采样频率、平滑性、风杯常数或预平均值等，见表2-3。

在风能计算中，阵风的考虑仅限于风速的最大值。对于载荷计算和控制系统设计时，则主要考虑阵风随时间的变化过程。阵风系数必须在阵风之前确定下来，平均时间的长短取决于阵风的大小，阵风对风力机影响还应考虑风力机容量的大小。

阵风系数用于对阵风变化过程的分析，风能梯度用来定义阵风能量的变化速率。图2-21表示某海岸风速与所有阵风的风能梯度值的统计平均值关系。图2-21纵坐标表示单位过风面积上的风能量梯度变化，即风能变化率。从图2-21中看出，对于19～ 20m/s平均风速的阵风，具有近5000W/（m2·s）的风能变化率，当直径25m的风力机遇到这样的阵风，需要在1s内将2453kW多余的功率卸掉。