2.7　风速测量

准确地把握风能特性对风电项目的规划和实施至关重要，所需基本信息包括不同时间段盛行风的风速和风向。从气象站获取的风能数据能更好地帮助理解风电场风谱。但是，为了对风电场风能特性进行精确的分析，必须采用精确而可靠的仪器来测量风速和风向。

2.7.1　生态指标

风成特征为地表由于持续强风而形成的自然特征。沙丘形态就是典型的例子。沙粒被风吹起，在风速较低时落下。被风吹动沙粒的大小和移动距离的特征，可以表征当地风力强度大小，为风电场选址提供参考。其他风成特征案例还有干盐湖、沉积柱和风冲刷等，这些都可以用来作为风电场选址的参考。

另一种风电场选址的方法是遵守生态指标。树木和灌木会因强风冲刷而变形，变形程度和特征取决于风力强度。此方法特别适合判断山谷、沿海和山区的风。根据侧面形状，图2-22归类了树受风影响的八种变形特征：无变形、冲刷、轻微旗形化、中度旗形化、强旗形化、切边及旗形化、倾倒及旗形化、完全旗形化。当风向比较单一，即当地只有一种盛行风向时，树木面迎盛行风向的一侧由于经常受较大风速吹袭，水分蒸发大大加速而使新生枝芽生长缓慢以至枯萎；而背风一侧仍能继续生长，从而使树形发生不对称，气象学上称之为风成偏形树。

风冲刷是指背风处的枝条，当叶子落下时可清晰地看到风冲刷的痕迹。这种风是微风，对风力发电来说无利用价值。旗形化为树枝被刮到背风处，树木侧面看像一面摇摆的旗帜一样。因风速变动而带来的旗形化效应对风力发电来说是有价值的。对于倾倒和旗形化形态，在强风效应下，树的主干和树枝向下风向倾倒，这是强风效应。对于切边风，由于其为强劲的风，主干的树枝被压迫而难以长到正常的高度。完全旗形化表示，由于极强的风，使得树木无论从俯视图还是侧视图都近似一面旗帜。

基于这些变形，风的强度采用七分制，如图2-22所示，显示了树干的顶部和迎风部的形状。但应该指出的是，这种变形的程度应当随树种的改变而变化。所以，这种方法适用于校准某一固定的树木品种在长时期内的风能数据。一旦这种校准确定了，风速范围则可基于生态指标直接估计出来。

2.7.2　风速仪

从生态指标和气象站获取的风速数据，可以帮助设计者找到合适的风电场场址。但最终场址的确定基于短期的实地测量。应利用安装在测风塔上的风速仪来测量风速。测风塔高度为风力机轮毂高度，能避免因地表面剪切风而需进一步修正风速。功率随风速的变化很敏感，故要求在测量风速时，采用敏感、可靠、正确校准且质量好的风速仪。

风速仪类型有多种。根据工作原理，可分为旋转式风速仪（杯状风速仪和螺旋桨式风速仪）、压力类风速仪（压力管风速仪、压板风速仪和球状风速仪）、热电风速仪（热线风速仪和热板风速仪）、相移风速仪（超声波风速仪和激光多普勒风速仪）。

1.杯状风速仪

最常用的风速仪是杯状风速仪。这种风速仪由三个风杯与短轴连接，等角度地安装在垂直的旋转轴上，如图2-23所示。风杯的外形或者是半球形的，或者是圆锥状的，由轻质材料制成。图2-23所示为圆锥状的杯状风杯，杯状风速仪是一个阻力装置，当置于流场中时，风能会使得杯状物有阻力，该阻力用下式表示

凹面的阻力系数比凸面的高，故凹侧风杯受到更大的阻力，阻力差驱动风杯绕中心轴旋转。转轴下部驱动一个被包围在定子中的多极永磁体。指示器测出随风速变化的电压，显示出对应的风速值。当风速达1～2m/s时，风杯式风速仪就可以起动，旋转速度与风速成正比。

杯状风速仪能适应多种恶劣的环境，随风很快加速，使其停止转动的速度却很慢。风杯达到匀速转动的时间要比风速的变化来得慢，存在滞后性，这种现象在风速由大变小时较为突出。如当风速从较大值很快地变为零时，因为惯性作用，风杯将继续转动，不能很快停下来。这种滞后性使得杯状风速仪测量的瞬时风速并不可靠。同时，这种滞后性消除了许多风速脉动现象，使得风速仪测定平均风速比较好。试验证明：三杯比四杯好，圆锥形比半球形好，因为阻力和密度成正比，空气密度稍有改变，都会影响测量速度的准确性。

2.螺旋桨式风速仪

类似于水平轴风力机工作原理，有主要靠升力工作的螺旋桨式风速仪，结构如图2-24所示。桨叶式风速仪是由多片桨叶按一定角度等间隔地装在一垂直面内，能逆风绕水平轴转动，其转速正比于风速。桨叶有平板叶片的风车式和螺旋桨式两种。最常见的是由三叶或四叶式螺旋桨，装在形似飞机机身的流线形风向标前端，风向标使叶片旋转平面始终对准风向。叶片由轻质材料制成，如铝或碳纤维热塑料。桨叶旋转方向始终正对风向，在流向平行于轴的气流中，桨叶受到升力，从而使螺旋桨以与风速成正比的速度旋转。

3.压板风速仪

一种利用压力来测量风速的仪表是压板风速仪，在1450年由Leon Battista Alberti发明，并由Robert Hooke（1664）和Rojer Pickering（1744）进一步完善。压板风速仪有一个装在水平臂上，可围绕水平臂转动的摆动盘。摆动盘通过舵臂安装在可自由旋转的垂直轴上，如图2-25所示。风向标使得摆动盘始终垂直于气流。垂直于平板的气流可看作一个整体，则平板所受的压力p为

压力p使摆动盘向内旋转，其向内摆动的幅度取决于风的强度，故摆动板可用来直接校准风速。而且，压板风速仪适合用来测量大风。

4.压力管风速仪

另一种利用压力来测风速的风速仪是压力管风速仪。图2-26所示为压力管风速仪的结构简图，根据不可压缩流体的伯努利方程得出

同样，在垂直于风的管子里，压力为

用p1减去p2，化简得出

因此，通过测量两个管子内的不同压力，即可得出风速。C1、C2值可根据仪器查出。压力通过标准压力表或压力传感器测得。压力管风速仪的主要优势是没有运动部件，但在开放的地区，如有灰尘、潮湿的和有昆虫的地方测量会影响精度。

最常用的压力管风速仪为皮托管。由法国工程师Pitot发明，由总压探头和静压探头组成，利用空气流的总压与静压之差即动压来测量风速。图2-27所示为L形皮托管的结构示意图，根据不可压缩流体的伯努利方程，流体参数在同一流线上的关系式为

由式（2-23）可得

可见，只要已知该地空气密度ρ，并测得流动空气的总压p0和静压p，或两者之差p0-p，即可按式（2-24）计算风速v，这就是皮托管测风速的基本原理。

考虑到总压和静压的测量误差，利用测量读数进行风速计算时，应作适当的修正。为此，引入皮托管的校准系数ζ，可将式（2-24）改写为

合理地调整皮托管各部分的几何尺寸，可以使得总压、静压的测量误差接近于零。例如，图2-27所示的标准皮托管是迄今为止最为完善的一种，其校准系数为1.01～1.02，且在较大的流动马赫数Ma和雷诺数Re范围内保持定值。图中的0.1d处为风的静压取压小孔。

5.超声波风速仪

超声波风速仪通过感应空气中音速的变化来测量风速，结构如图2-28所示。超声波风速仪设置三个手臂，彼此垂直安装，在臂端安装了传感器，通过空气向上或向下发出声波信号。运动空气中的声速不同于静止空气中的声速。用vS表示静止空气中的音速，v表示风速，则若声音和风向同一方向移动，由此产生的声波速度v1可表示为

同样，如果声波的传递与风向相反，则由此产生的声波速度v2可表示为

根据式（2-26）和式（2-27）可得出

因此，在上下移动时通过测量传感器尖端间的声波速度，则可计算出风速。超声波风速仪没有可移动部件，在0～65m/s范围内测出的风速是可靠且准确的。但是，超声波风速仪比其他类型的风速仪昂贵。

2.7.3　风速表的标定

为了运行可靠，尽可能地减小风速表的测量误差，有必要对风速仪进行定期标定。校准就是在理想条件下制定一个基准风速作为标准。风速仪测量数据质量取决于其自身特性，如精度、分辨率、灵敏度、误差、响应速度、可重复性和可靠性。例如，典型的杯状风速仪有±0.3m/s的精度，风速最微小的变化能被风速仪检测出，灵敏度即是输出与输入信号的比值；误差来源于指示速度与实际速度之间的偏差；响应速度表明了风速仪检测到风速变化的快慢程度；可重复性表明在相同条件下多次测量时所读取数据的接近程度；可靠性表明在给定风速的范围内风速仪成功工作的可能性。风速仪的这些属性应当定期检查。

此外，在风速表适用之前需对其进行标定。风速仪标定是在校准风洞中进行的，校准风洞有吸入式、射流式、吸入-射流复合式以及正压式等多种类型，其中最常用的是射流式校准风洞，其测量系统如图2-29所示。射流式校准风洞由稳流段和收敛段构成，稳流段内装有整流网和整流栅格。供应给风洞的压缩空气先通过稳流段，再通过收缩段形成自由射流。

以皮托管风速仪的标定为例，被标定的皮托管感压探头迎风置于风洞出口处，其总压孔轴线对准校准风洞的轴线。标定时，皮托管动压读数为微压计示出的Δh1。相应的标准动压由安装在稳流段A处的总压管和开在射流段B处的静压孔组合测取，即为图2-29所示的Δh。

在所选择的标定流速范围内，记录各稳定气流流速下校准风洞的标准动压值Δh和被标定皮托管的动压值Δh1。整理测定数据，结果被拟合成标定方程，或绘制成标定曲线，以备皮托管测量风速时查用。当Δh与Δh1之间呈线性关系时，可以直接求出被标定皮托管的校准系数ζ，即