风速及分布.doc

蒲福风级（Beaufort scale）
英国人弗朗西斯·蒲福在1806年对风进行分级，用以表达风力大小。根据风对地面物体或海面的影响程度而，按强弱将风力划分为0到12，共13个等级，即目前世界气象组织所建议的分级。后来到20世纪50年代，人类的测风仪器的发展使人们发现自然界的风力实际可以大大的超过12级，于是就把风力划分扩展到17级，即总共18个等级。
蒲福风级
风速（每小时 海里/公里）
风力名称
浪高(米）
海情
陆上情況
0
小于 1 / 2
无风
Calm
0
平靜如镜
靜，烟直向上
1
1-3 / 2-6
轻微/微风
Light air
0.1
无浪: 波紋柔和,，如鳞状，波峰不起白沬。
烟能表示风向，风向标不转动
2
4-6 / 7-12
轻微/微风/轻风
Light breeze
0.2
小浪: 小波相隔且短，但波浪显著；波峰似玻璃，光滑而不破碎。
人面感觉有风，树叶微摇，风向标转动
3
7-10 / 13-19
和缓/温和/微风
Gentle breeze
0.6
小至中浪: 小波较大，波峰开始破碎，波浪中有白头浪。
树叶和小树枝摇动不息，旗展开
4
11-16 / 10-30
和缓/和风
Moderate breeze
1
中浪: 小波渐高，形状开始拖长，白头浪颇频密。
吹起地面灰尘和纸张，小树枝摇动。
5
17-21 / 31-40
清劲/清风
Fresh breeze
2
中至大浪: 中浪，形状明显拖长，白头浪更多，中间有浪花飞溅。
有叶的小树，整棵摇摆；内陆水面有波纹。
6
22-27 / 41-51
强风
Strong breeze
3
大浪: 大浪出现，四周都是白头浪，浪花颇大。
大树枝摇摆，持伞有困难，电线有呼呼声。
7
28-33 / 52-62
强风/疾风
Near gale
4
大浪至非常大浪: 海浪突涌堆叠，碎浪之白沫，随风吹成条纹状。
全树摇动，人迎风前行有困难。
8
34-40 / 63-75
烈风/大风
Gale
5.5
非常大浪至巨浪: 接近高浪，浪峰碎成浪花，白沬被风吹成明显条纹状。
小树枝折断，人向前行阻力十分大。
9
41-47 / 76-87
烈风
Strong gale
7
巨浪: 高浪, 泡沫浓密；浪峰卷曲倒悬，白沫很多。
烟囱顶部移动，木屋受损。
10
48-55 / 88-103
暴风/狂风
Storm
9
非常巨浪: 非常高浪。海面变成白茫茫，波涛冲击，能见度减低
大树连根拔起，建筑物损坏。
11
56-63 / 104-117
暴风
Violent storm
11.5
非常巨浪至极巨浪: 波涛澎湃，浪高可以遮掩中型船只；白沫被风吹成长片在空中摆动，遍及海面，能见度减低。
陆上少见，建筑物普遍损坏。
12
64或以上/ 118或以上
飓风
Hurricane
14+
极巨浪: 海面空气中充满浪花以及白沫，全海皆白；巨浪如江倾河泻，能见度大为减低。
陆上少见，建筑物普遍严重损坏。
12*
64-71/ 118 - 132
飓风
Hurricane
14+
极巨浪: 海面空气中充满浪花以及白沫，全海皆白；巨浪如江倾河泻，能见度大为减低。
陆上少见，建筑物普遍严重损坏。
13*
72-80 / 133-149
飓风
Hurricane
14+
极巨浪: 海面巨浪滔天，不堪设想。
陆上难以出现，如有必成灾难。
14*
81-89 / 150-166
飓风
Hurricane
14+
极巨浪: 海面巨浪滔天，不堪设想。
陆上难以出现，如有必成灾难。
15*
90-99 / 167-183
飓风
Hurricane
14+
极巨浪: 海面巨浪滔天，不堪设想。
陆上难以出现，如有必成灾难。
16*
100-108 / 184-201
飓风
Hurricane
14+
极巨浪: 海面巨浪滔天，不堪设想。
陆上难以出现，如有必成灾难。
17*
109以上 / 202以上
飓风
Hurricane
14+
极巨浪: 海面巨浪滔天，不堪设想。
陆上难以出现，如有必成灾难。

风速v和蒲福风力等级B有如下的关系式：

现代大型风电机一般在微风（5米/秒）情况下开始启动发电，在大风（13米/秒）的情况下达到额定功率，在暴风（25米/秒）的情况下还可以无危险的发电；超过这个风速，风电机一般都会自行关闭，进行过载保护。 (参考 功率曲线 )
IEC （International Electrotechnical Commission）风力分级
蒲氏风力分级多用于航海和气象学，在风电行业中使用的更多的是用于对某个地点风力进行表述的分级方式：IEC风力分级。

需要注意的是，IEC风力分级与蒲氏风力分级的表达方式正好相反：级别越高，风力越弱。这种分级表述的是一个地区风力资源的潜能，将一段时间内的风力进行平均，给出折算后的风速（米/秒），用于衡量该地区的风力资源。德国北海以及海滨均属于I级风力地区，而内陆地区一般属于II 级或者III级风力区。

风速计
风速（包括大小、方向和随时间的变化规律等）是用于计算风电机发电量的一个最重要的参数，也是选择适合的风电机种类以及风电场设计的重要参考因素。
一台风电机发电量的变化的速度，跟风速变化幅度的三次方成比例，所以进行风速测量对于建设风电场来说十分重要。也就是说在进行风速测量的时候出现了3%的偏差，那么据此所计算出来的发电量就会出现9%的偏差。（站长注：这里的计算好像有点错误，我只是照原文翻译。）
由于一年内一个地区的风速会不断的变化，所以在对某个地区进行风速测量以确定该地区风力资源的时候，最少要进行1年；为了减少错误估测的概率和幅度，推荐测量3年的数据，然后再进行估算。
风速计一般都是安装在至少60米的天线杆顶端，从地表到杆顶端之间的风速则通过数学式计算得到。
风杯风速计
图：风杯风速计
风杯风速计是最常见的测风用仪表，由一个中间垂直旋转轴、3-4个风杯以及一个遵从阻力法则且风速成比例的产生电子信号的传感器组成。通过在一段时间内测量该信号的变化可以得到该时间段内风速计的转数或者风杯的转数，用于计算风速。这些数据将会被储存起来，用于日后的计算。
这种风杯风速计的优点是通过很简单的构造来解决了摩擦阻力的问题，几乎无须保养，而且耗电量也十分小（该风速计在运转过程中需要电池）；缺点就是整个系统的延缓性，快速短暂的急风几乎无法测量，另外就是其结构所决定的测量范围：只能测量水平方向的风速。
超声波风速计

图：风电机上的两台超声波风速计
超声波风速计是为了研究接近地面的紊流场而研制的。100千赫的超声脉冲以音速往返于“两极”（音箱-麦克-组合）之间。有些风速计上可以装有3对这种“极”。空气流动的变化会与脉冲的波叠加而导致波形的变化，进而导致脉冲往返时间的不一致。这个时间变化会被记录下来并换算成风速。
通过两对平面放置的传感器，超声波风速计不仅可以测量风速，还可以测量风向：比较两对传感器探针（置于不同方向上的两个所谓的“极”）风速可以得到风向。使用3对这样的探针可以测量风的三个方向。
超声波风速计的优点：
· 可以测量两个或者三个风向
· 高精度
· 测量距离短，但分辨率很高：没有机械零件，也没有惯性作用。两次测量的间隔很短，即便是十分短暂迅速的风速变化也可以被测量到。
· 没有机械零部件：冬天的时候，在冰雪的环境下，超声波风速计比风杯风速计要可靠的多。
· 测量风速不受气压和潮湿度的影响。
缺点：
· 价格比风杯风速计要高很多
· 操作比较复杂，长时间测量的时候出现的问题很多（偏差较大，标定无法保证）
· 受温度的影响，因为温度影响波速。
SODAR

图：SODARs使用示意图
SODARs是英语“SOnic Detecting And Randing” 的缩写。SODAR 是一种探测大气分层界限的测量仪器。
SODAR 的工作原理类似声纳。人耳可以听到的短波被发送到大气层中去，由于气层之间温度和湿度的不同，部分声波会在气层分界处被反射回来。
单体仪器的发射器和接收天线安装在一起，而双体一起则是分开来的：一个天线用于发送信号，而另一个则用来接收返回的信号。
接收到的信号跟最初的发射信号相比较，无论频率还是强度，都会发生变化。根据叠加原理可以计算风速的大小和方向。测量得到的位移值跟风速以及风向都是成比例的。
跟风杯风速计和超声波风速计不同的是，SODAR所测量的不是某个点的风速和风向，而是一定的空气量的风速。
SODAR 可以测量地面以上40 到600米高的空气层变化，分辨率可以在20米以下。 使用多个接收器或者发射器可以测量风的三个方向。
在风能行业中还使用所谓的微型-SODARs，用于测量20米到150米高度的空气层数据，其分辨率是5-10米之间。
SODAR 的优点是可以一次性测量一定高度的空间中风速和风向，也就是所谓的风切面。缺点是需要耗费较大的电能（跟使用电池驱动的风杯风速计相比），发射的信号也容易受到障碍物（树木、空气寒流、飞过的鸟以及含水云层等等）的影响而导致测量的精度降低（相对比于风杯风速计和超声波风速计）。
其他种类的风速计

图：涡轮风速计
其他种类的风速计（涡轮风速计、皮托管、热线风速计、双激光束风速计等等）虽然也可以测量风速，但在风能行业中基本不使用。比如皮托管只是用来测量高流速的气流（飞机）。
概率分布
概率分布 / 伟布分布

图：不同参数下的伟布分布图 （某地点的不同方向上）
自然界的风速是变化不定的，几乎每秒都在改变。由于这个原因，如果人们想预测一台风电机到底能发多少电，必须得十分精确的了解该地区风速分布特点。通常人们通过记录不同风速在一段时间内出现的频率来表达该分布特点：风速以米/秒为单位分成不同的“段”（0-1米/秒为一段，1-2米/秒，2-3米/秒，以此类推。）这样，某个地点的风所蕴含的能量就可以通过该地区风速分布特点来表达，也就是说通过风速在时间上的变化分布（相对频率变化）可以通过风速段的变化来表达。 在考察的某个时间范围内（一天或者一年），何时风速达到某个特定值其实并不重要，重要的是风速段的分布。风速段的分布可以通过风向标 或者通过直方图来进行表达，也就是所谓的伟布分布。

伟布分布是用于表示风速分布特点的传统数学表达方式。一般测量1分钟或者10分钟的平均风速，然后按照1米/秒分段，按照分布频率将风速特点表达出来。
这个测量所得到的相对分布值是通过伟布分布的两个参数来描述的：形状参数k 和倍数参数A 。

伟布分布的数学表达式是：

f(v) 是用百分比表示的风速的频率分布特点
v 是某个风速段的平均风速，单位是米/秒。
A 是伟布分布的倍数参数，单位是米/秒。该参数取决于风速的时间阵特征和该分布与平均风速之间的某种特定关联。
k 是伟布分布的形状参数，表达出该分布的形状。 k 的值在1和3之间变化，k 值越大，说明风速波动越小（例如风力的大小、高度以及恒定的信风）。在欧洲，k 值一般都取2。变化非常剧烈的风，比如极地风，则通过小k 值来表示。很显然，k 值越大，越适合风力发电。
k 值跟测量的高度也有关系：k 值会随着测量高度的增加而微量的增大。紊流 和 波动也是随着高度的增加而减少的。

下图表示的是恒定平均风速下不同k 值的曲线分布。可以很明显的看出，小k 值在不同风速情况下的频率变化很大。该分布的可控制性很大。（