任务一
风和风能基础知识

任务描述

风是人类最熟悉的一种自然现象，风无处不在。太阳辐射造成地球表面大气层受热不均，引起大气压力分布不均，在不均压力作用下空气沿水平方向运动就形成了风。风能是一种最具活力的可再生能源，它实质上是太阳能的转化形式，因此是取之不尽的。通过本任务的学习，掌握风的成因以及风速风向的测量方法，了解模拟风力发电场装置的组成，掌握模拟风力发电场装置的安装方法。

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一、风的形成

1.气压梯度力和地转力

风是由于空气受冷或者受热而导致从一个地方向另一个地方产生移动的结果。简单地说，空气的流动现象称为风。空气运动主要是由于地球上各个纬度所接受的太阳辐射强度不同形成的，风实质上是太阳能的转化形式，因此是取之不尽的。

风在地表上形成的根本原因是太阳能量的传输，由于地球是一个球体，太阳光辐射到地球上的能量随纬度不同而有差异。在赤道和低纬度地区，太阳高度角大，日照时间长，太阳辐射强度大，地面和大气接受的热量多、温度较高；在高纬度地区，太阳高度角小，日照时间短，地面和大气接受的热量小，温度较低。这种高纬度与低纬度之间的温度差异，形成了南北之间的气压梯度，使空气作水平运动，风应沿水平气压梯度方向吹，即垂直于等压线从高压向低压吹。

由于地球自转形成的地转偏向力称科里奥里力，简称偏向力和柯氏力。这种力使北半球气流向右偏转，南半球向左偏转，所以地球大气运动除受气压梯度力影响外，还要受地转偏向力的影响。大气的真实运动是两力综合影响的结果。

实际上，地面风不仅受这两个力的支配，而且在很大程度上受海洋、地形的影响，山谷和海峡能改变气流运动的方向，还能使风速增大，而丘陵、山地由于摩擦大使风速减少，孤立山峰却因海拔高使风速增大。因此，风向和风速的时空分布较为复杂。

2.大气环流

大气环流是指大范围的大气运动状态。某一大范围地区、某一大气层在一个长时期的大气运动的平均状态或者某一个时段的大气运动的变化过程，都可以称为大气环流。

当空气由赤道两侧上升向极地流动时，开始因地转偏向力很小，空气基本受气压梯度力影响，在北半球，由南向北流动，随着纬度的增加，地转偏向力逐渐加大，空气运动也就逐渐向右偏转，也就是逐渐转向东方。在纬度30°附近，偏角到达90°，地转偏向力与气压梯度力相当，空气运动方向与纬圈平行，所以在纬度30°附近上空，赤道来的气流受到阻塞而聚积，气流下沉，形成这一地区地面气压升高，就是所谓的副热带高压。

副热带高压下沉气流分为两支。一支从副热带高压向南流动，指向赤道。在地转偏向力作用下，北半球吹东北风，南半球吹东南风，风速稳定且不大（3~4级），这就是所谓的“信风”，所以在南、北纬度30°之间的地带称为信风地带。这支气流补充了赤道的上升气流，构成了一个闭合的环流圈，称为哈德来（Hadley）环流，也称为正环流圈。此环流圈南面上升，北面下沉。另一支从副热带高压向北流动。在地转偏向力的作用下，北半球吹西风，且风速较大，这就是所谓的西风带。在60°附近处，西风带遇到了由极地向南流来的冷空气，被迫沿冷空气上面爬升，在60°地面出现一个副极地低压带。

副极地低压带的上升气流，到了高空又分成两股，一股向南，一股向北。向南的一股气流在副热带地区下沉，构成一个中纬度闭合圈，正好与哈德来环流流向相反，此环流圈北面上升、南面下沉，所以因而称为反环流圈，也称费雷乐（Ferrel）环流圈；向北的一股气流，从上空到达极地后冷却下沉，形成极地高压带，这股气流补偿了地面流向副极地带的气流，而且形成了一个闭合圈，此环流圈南面上升、北面下沉，与哈德来环流流向类似，因此也称正环流。在北半球，此气流由北向南，受地转偏向力的作用，吹偏东风，在60°~90°之间，形成了极地东风带。

综上所述，由于地球表面受热不均，引起大气层中空气压力不均衡，因此，形成地面与高空的大气环流。各环流圈伸屈的高度，以赤道最高，中纬度次之，极地最低，这主要是由于地球表面增热程度随纬度增高而降低的缘故。这种环流在地球自转偏向力的作用下，形成了赤道~纬度30°环流圈（哈德来环流）、纬度30°~60°环流圈和纬度60°~90°环流圈，这便是著名的三圈环流，如图1.1所示。

3.风的类型

风受大气环流、地形、水域等不同因素的综合影响，表现形式多种多样，如季风、地方性的海陆风、山谷风、台风等。

（1）季风

在一个大范围地区内，它的盛行风向或气压系统有明显的季节变化，这种在一年内随着季节不同有规律转变风向的风称为季风。

季风环流是季风气候的主要反映。季风环流的主要形成原因是海陆分布的热力差异、行星风带的季节转换以及地形特征等，如图1.2所示。

①海陆分布对我国季风的影响。海洋的热容量比陆地大得多。冬季，陆地比海洋冷，大陆气压高于海洋，气压梯度力由大陆指向海洋，风从大陆吹响海洋；夏季正好相反，陆地很快变暖，海洋相对较冷，大陆气压低于海洋，气压梯度力由海洋指向大陆，风从海洋吹向大陆。我国东临太平洋，南临印度洋，冬夏的温差大，所以季风明显。

②行星风带的季节转换对我国季风的影响。从图1.1可以看出，地球上存在着5个风带，信风带、盛行西风带、极地东风带在南半球和北半球是对称的分布。这5个风带在北半球的夏季都向北移动，而冬季向南移动，这样冬季西风带的南缘地带在夏季就可以变成东风带。因此，冬夏盛行风就会发生180°的变化。冬季我国主要在西风带影响下，强大的西伯利亚高压笼罩着全国，盛行偏北风。夏季西风带北移，我国在大陆热低压控制下，副热带高压也北移，盛行偏南风。

③青藏高原对我国季风的影响。青藏高原占我国陆地的1/4，平均海拔在4 000 m以上，对应于周围地区具有热力作用。在冬季，高原上温度较低，周围大气温度较高，这样形成下沉气流，从而加强了地面高压系统，使冬季风加强；夏季，高原相对于周围自由大气是一个热源，加强了高原周围地区的低压系统，使夏季风得到加强。另外，在夏季，西南季风由孟加拉湾向北推进时，沿着青藏高原东部的南北走向的横断山脉流向我国的西南地区。

（2）海陆风

海陆风是因海洋和陆地受热不均匀而在海岸附近形成的一种有日变化的风系，周期为一昼夜，其势力相对薄弱。白天风从海上吹向陆地，夜晚风从陆地吹向海洋。前者称为海风，后者称为陆风，合称为海陆风。白天，地表受太阳辐射而增温，由于陆地土壤热容量比海水热容量小得多，陆地升温比海洋快得多，因此陆地上的气温显著比附近海洋上的气温高。陆地上空气在水平气压梯度力的作用下，上空的空气从陆地流向海洋，然后下沉至低空，又由海面流向陆地，再度上升，遂形成低层海风和铅直剖面上的海风环流。海风从每天上午开始直到傍晚，风力以下午为最强。日落以后，陆地降温比海洋快；到了夜间，海上气温高于陆地，就出现与白天相反的热力环流而形成低层陆风和铅直剖面上的陆风环流。海陆的温差，白天大于夜晚，所以海风较陆风强，如图1.3所示。

海陆风的强度在海岸最大，随着离岸距离的增加而减弱，一般影响距离在20~50 km。海风的风速比陆风大，在典型的情况下，海风风速可达4~7 m/s，而陆风一般为2 m/s左右。海陆风最强烈的地区，发生在温度日变化最大及昼夜海陆温差最大的地区。低纬度日射强，所以海陆风较为明显，尤以夏季为甚。

此外，在大湖附近同样日间有风自湖面吹向陆地，称之为湖风，夜间有风自陆地吹向湖面，称之为陆风，合称为湖陆风。

（3）山谷风

山谷风是由于山谷与其附近空气之间的热力差异而引起的，形成原理与海陆风类似。白天，山坡接受太阳光热较多，成为一只小小的“加热炉”，空气增温较多；而山谷上空，同高度上的空气因离地较远，增温较少。于是山坡上的暖空气不断上升，并在上层从山坡流向谷底，谷底的空气则沿山坡向山顶补充，这样便在山坡与山谷之间形成一个热力环流。下层风由谷底吹向山坡，称为谷风。到了夜间，山坡上的空气受山坡辐射冷却影响，“加热炉”变成了“冷却器”，空气降温较多；而谷底上空，同高度的空气因离地面较远，降温较少。于是山坡上的冷空气因密度大，顺山坡流入谷底，谷底的空气因汇合而上升，并从上面向山顶上空流去，形成与白天相反的热力环流。下层风由山坡吹向谷底，称为山风，如图1.4所示。

山谷风一般较弱，谷风比山风大一些，谷风风速一般为2~4 m/s，有时可达6~7 m/s，在通过山隘时，风速加大。山风风速一般仅为1~2 m/s，但在峡谷中，风力可能还会大一些。

（4）台风

台风是发生在热带海洋上强烈的热带气旋。它像在流动江河中前进的涡旋一样，一边绕自己的中心急速旋转，一边随周围大气向前移动。在北半球热带气旋中的气流绕中心呈逆时针方向旋转，在南半球则相反。愈靠近热带气旋中心，气压愈低，风力愈大。但发展强烈的热带气旋，如台风，其中心却是一片风平浪静的晴空区，即台风眼。台风中心气压很低，一般在87~99 kPa之间，中心附近地面最大风速一般为30~50 m/s，有时可超过80 m/s，如图1.5所示。

4.风力等级

风力等级（wind scale）简称风级，是风强度的一种表示方法，风越强，数值越大。用风速仪测得的风速可以套用为风级，同时也可通过目测海面，陆地上的物体征象估计风力等级。

（1）风级

风级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风力的强度等级来估计风力的大小，国际上采用的风力等级是由英国人蒲福（Francis Beaufort）于1805年拟定的，所以又称为“蒲福风力等级”。他将风力从静风到飓风分为13个等级（0~12级），1946年以后又增加到18个等级（0~17级），见表1.1。我国天气预报中一般采用13等级分法。一般风力达到6级时，气象台就发布大风警报。

（2）风速与风级的关系

除了查表外，还可以通过式（1.1）~式（1.3）来计算风速。

如已知某一风级时，其关系式为

式中， N ——风的级数；

_N —— N 级风的平均风速，m/s。

若计算 N 级风的最大风速 _{N max} ，其公式为

若计算 N 级风的最小风速 _{N min} ，其公式为

二、风的测量

测风，主要是测量风向和风速，有了风速，就可以计算出当时的气压、温度、湿度下的风能。风向测量是指测量风的来向，风速测量是测量单位时间内空气在水平方向上移动的距离。

1.测风系统

对于初选的风力发电场选址区应采用高精度的自动测风系统进行风的测量。

自动测风系统主要由5个部分组成，包括主机、传感器、数据存储装置、电源、保护隔离装置。

主机利用微处理器对传感器发送的信号进行采集、运算和存储，由数据记录装置、数据读取装置、微处理器、显示装置组成。

传感器种类很多，分为风速传感器、风向传感器、温度传感器、气压传感器。输出信号一般为数字信号。

由于测风系统安装在野外，数据存储装置应有足够的存储空间，而且为了野外操作方便，最好采用可插接形式。

测风系统电源一般采用电池供电。为了提高系统工作的可靠性，还应配备一套或两套备用的电源，如太阳能光板等。主电源和备用电源互为备用，可自动切换。

测风系统输入信号可能会受到各种干扰，设备会随时遭受破坏，如恶劣的冰雪天气会影响传感器信号，雷电天气干扰传输信号因而出现误差等。因此，一般在传感器输出信号和主机之间增设保护和隔离装置，从而提高系统运行的可靠性。

2.风向测量

风的测量包括风向测量和风速测量。风向测量是指测量风的来向。

（1）风向测量仪器

风向标是一种应用最广泛的风向测量装置，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4个部分组成的首尾不对称的平衡装置。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。在风的动压力作用下，取得指向风来向的一个平衡位置，即为风向的指示。传送和指示风向标所在方位的方法很多，有电触点盘、环形电位、自整角机和光电码盘4种类型，其中，最常用的是光电码盘。

风向杆的安装方位指向正南，一般安装在离地10 m的高度上。如图1.6所示。

（2）风向表示

风向一般用16个方位表示，即北东北（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（WWNW）、西西北（WNW）、西北（NW）、北西北（NNW）、北（N）。静风记为C。

风向也可以用角度来表示，以正北为零度，顺时针方向旋转，每转过22.5°为一个方位，东风为90°，南风为180°，西风为270°，北风为360°，如图1.7所示。

各种风向出现的频率通常用风玫瑰图来表示。风玫瑰图是以“玫瑰花”形式表示各方向气流状况重复率的统计图形，一般称为风频图，如图1.8所示。在图中，该地区最大风频的风向为西风，约为13%（每一间隔代表风向频率为5%）。同理，统计各种风向上的平均风速和风能的图分别称为风速玫瑰图和风能玫瑰图。

3.风速测量

风速测量是指测量单位时间内空气在水平方向上移动的距离。

（1）风速计

风速的测量仪器类型很多，有旋转式风速计、压力式风速仪、散热式风速表、声学风速计。

①旋转式风速计。旋转式风速计的感应部分是一个固定在转轴上的感应风的组件，常用的有风杯（图1.9）和螺旋桨叶片（图1.10）两种。风杯式旋转轴垂直于风的来向，螺旋式的旋转轴平行于风的来向。

风杯式风速计的主要优点是与风向无关。风杯式风速计一般有3个或4个半球形或抛物锥形的空心杯壳组成。风杯式风速计固定在互成120°的三叉星形支架上或互成90°的十字形支架上，杯的凹面顺着同一方向，整个横臂架固定在能够旋转的垂直轴上。在风力的作用下，风杯的凹面和凸面所受的风的压力不相等，风杯绕转轴旋转，转速正比于风速。

②压力式风速计。压力式风速计是利用风的全压力与静压力之差来测定风速的大小。通过双联皮托管，一个管口迎着气流的方向，感应着气流的全压力，另一个管口背着气流的来向，因为有抽吸作用，所感应的压力要比静压力要低一些。两个管子所感应的压力差与风速成一定的关系。图1.11所示为压力式风速计。

③散热式风速计。被电流加热的细金属丝或者微型球体电阻元件，放置在气流中，其散热率与风速的平方根呈线性关系。通常在使加热电流不变时，测出被加热物体的温度，就能推算出风速。散热式风速计感应速度快，时间常数只有百分之几秒，在小风速时灵敏度较高，适用于室内和野外的大气湍流实验，但不能测量风向，如图1.12所示。

④声学风速计。声学风速计是利用声波在大气中传播的速度与风速间的函数关系来测量风速。声波在大气中传播的速度为声波的传播速度与气流速度的代数和。它与气温、气压、湿度等因素有关。在一定距离内，声波顺风与逆风传播有个时间差。由这个时间差，便可以确定气流速度。声学风速计没有转动部件，因此响应快，能测定沿任何指定方向的风速分量的特性，但价格较高。

一般的风速测量采用的是旋转式风速计。

（2）风速记录

记录风速是通过信号的转换方法来实现，一般有4个方法。

①机械式。当风速感应器旋转时，通过蜗杆带动涡轮转动，再通过齿轮系统带动齿针旋转，从刻度盘上直接读出风的行程，除以时间就可以得到风速。

②电接式。由风杯驱动的蜗杆，通过齿轮系统连接到一个偏心凸轮上，风杯旋转一定圈数，凸轮使得相当于开关作用的两个触头或闭合或打开，完成一次接触，表示一定的风程。

③电机式。风速感应器驱动一个小型的发电机中的转子，输出与风速感应器转速成正比的交变电流，输送到风速的指示系统。

④光电式。风速旋转轴上装有一个圆盘，盘上有等距的孔，孔上方有一红外光源（发光管），正下方有一光电半导体。风杯带动圆盘旋转时，由于孔的不连续，形成光脉冲信号，经光敏晶体管接受放大后变成电脉冲信号输出，每一个脉冲信号表示一定的风的行程，结构如图1.14所示。

（3）风速表示

各国表示风速单位的方法不尽相同，如用m/s，n mile/h，km/h，ft/s，mile/h等。各种单位换算的方法如表1.2所示。

风速的大小与风速计安装高度和观测时间有关。各国基本上都以10 m高处观测为基准，但取多长时间的平均风速不统一，有取1 min，2 min，10 min平均风速的，有取1 h平均风速的，也有取瞬时风速的等。

我国气象站观测时有3种风速，1天4次定时2 min平均风速、自记10 min平均风速和瞬时风速。风能资源计算时，都用自记 10 min平均风速。安全风速计算时用最大风速（10 min平均最大风速）或瞬时风速。

任务实施

模拟风力发电场的安装

一、模拟风力发电场的组成

模拟风力发电场由轴流风机、轴流风机框罩、测速仪、风力发电场运动机构、风力发电场运动机构箱、单相交流机、电容器、连杆、滚轮、万向轮、微动开关、护栏组成，如图1.15所示。

轴流风机安装在轴流风机框罩内，轴流风机框罩安装在风力发电场运动机构上，轴流风机提供可变电源。

风力发电场运动机构由传动齿轮链机构组成，单相交流电动机和风力发电场运动机构安装在风力发电场运动机构箱中，风力发电场运动机构箱与风力发电机塔架用连杆连接。当单相交流电动机旋转时，传动齿轮链机构带动滚轮运动，风力发电场运动机构箱围绕发电机的塔架作圆周旋转运动，当轴流风机输送可变风量时，在风力发电机周围形成风向和风速可变的风力发电场。

测速仪安装在风力发电机与轴流风机框罩之间，用于检测模拟风力发电场的风速。

万向轮支撑风力发电场运动机构。

微动开关用于风力发电场运动机构限位。

二、模拟风力发电场组装

（1）将单相交流电动机、电容器安装在风力发电场运动机构箱内，再将滚轮、万向轮安装在风力发电场运动机构箱底部。

（2）用齿轮和链条连接单相交流电动机和滚轮。

（3）将轴流风机安装在轴流风机支架上，再将轴流风机和轴流风机支架安装在轴流风机框罩，然后将轴流风机框罩安装在风力发电场运动机构箱上，要求紧固件不松动。

（4）在风力发电机塔架座上安装2个微动开关。

（5）用连杆将风力发电场运动机构箱与风力发电机塔架座连接起来。

（6）根据风力供电主电路电气原理图和接插座，焊接轴流风机、单相交流电动机、电容器、微动开关的引出线，引出线的焊接要光滑、可靠，焊接端口使用热缩管绝缘。

（7）整理上述焊接好的引出线，将电源线、信号线和控制线在相应的接插座中，接插座端的引出线使用管型端子和接线标号。

实践训练

由小组长协调组织，在小组讨论、教师指导下完成下面的任务。

（1）请说出以下部件的功能及作用。

（2）结合模拟风场的结构示意图，阐述模拟风场的安装步骤、使用的工具材料。

（3）安装过程记录，如有故障，请在下表中填写故障现象，故障原因及处理方法。

知识拓展

风能利用历史

人类利用风能的历史可以追溯到公元前。我国是世界上最早利用风能的国家之一。公元前数世纪我国人民就利用风力提水、灌溉、磨面、舂米，用风帆推动船舶前进。埃及尼罗河上的风帆船、中国的木帆船，都有两三千年的历史记载。唐代有“长风破浪会有时，直挂云帆济沧海”诗句，可见那时风帆船已广泛用于江河航运。到了宋代更是我国应用风车的全盛时代，当时流行的垂直轴风车，一直沿用至今。

在国外，公元前2世纪，古波斯人就利用垂直轴风车碾米。10世纪伊斯兰人用风车提水，11世纪风车在中东已获得广泛的应用。13世纪风车传至欧洲，14世纪已成为欧洲不可缺少的原动机。在荷兰风车先用于莱茵河三角洲湖地和低湿地的汲水，其风车的功率可达50马力（1马力=735.498 75 W），以后又用于榨油和锯木。到了18世纪20年代，在北美洲风力机被用来灌溉田地和驱动发电机发电，如图1.16、1.17所示。从1920年起，人们开始研究利用风力机作大规模发电。1931年，在克里米亚的巴拉克拉瓦建造了一座100 kW容量的风力发电机，这是最早商业化的风力发电机。

数千年来，风能技术发展缓慢，也没有引起人们足够的重视。但自1973年世界石油危机以来，在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为新能源的一部分才重新有了长足的发展。风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力，特别是对沿海岛屿、交通不便的边远山区、地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。即使在发达国家，风能作为一种高效清洁的新能源也日益受到重视。美国早在1974年就开始实行联邦风能计划。其内容主要是：评估国家的风能资源；研究风能开发中的社会和环境问题；改进风力机的性能，降低造价；主要研究为农业和其他用户用的小于100 kW的风力机；为电力公司及工业用户设计的兆瓦级的风力发电机组。美国已于20世纪80年代成功地开发了100 kW、200 kW、2 000 kW、2 500 kW、6 200 kW、7 200 kW的6种风力机组。在瑞典、荷兰、英国、丹麦、德国、日本、西班牙，也根据各自国家的情况制订了相应的风力发电计划。如瑞典1990年风力机的装机容量已达350 MW，年发电1×10 ⁹ kW·h。丹麦在1978年即建成了日德兰风力发电站，装机容量为 2 000 kW，三片风叶的扫掠直径为 54 m，混凝土塔高58 m，预计到2005年电力需求量的10%将来源于风能。1980年德国就在易北河口建成了一座风力电站，装机容量为3 000 kW。英国濒临海洋，风能十分丰富，政府对风能开发也十分重视，到1990年风力发电已占英国总发电量的2%。在日本，1991年10月轻津海峡青森县的日本最大的风力发电站投入运行，5台风力发电机可为700户家庭提供电力。

截至2021年12月，我国风电并网装机容量达到30 015万千瓦，较2016年底实现翻番，连续12年稳居全球第一。目前，风电并网装机容量约占全国电源总装机容量的13%，发电量约占全社会用电量的7.5%，较2020年底分别提升0.3%和1.3%，风电对全国电力供应的贡献不断提升。同时，我国风电产业技术创新能力快速提升，已具备大兆瓦级风电整机、关键核心大部件自主研发制造能力，建立了具有国际竞争力的风电产业体系。我国风电机组产量已占据全球2/3以上市场份额，全球最大风机制造国地位持续巩固加强。 Mkt1ZoVHuIFmfIkxAVX4eRQN2SOMahqc4hLa5DSrjj/GTWqQmAdq6RxcvV2t6cAs