风力与风的测量

风力与风的测量

Wind and Wind Measurements

风的形成与等级

在地球的外表面包围着一层空气，由于地球引力的作用靠地面的空气密度大压力大、离地面远些的空气密度小压力小。太阳照热地面使地面的空气密度减小上升、又由于各地表面对太阳的吸收与反射不同、地球不同纬度的温度不同造成各地空气密度不同、地球自转使地面温度昼夜交替变化等等都促成空气的不停流动，同时由于地球的自转也造成空气的流动，这就是风的形成原因。流动的空气具有的能量就是风能。 风的大小划分为不同等级，国际上通用的风力等级表是英国人蒲福拟定的蒲氏风力分级表，把风力分为13个等级（0—12级）。1946年以后，又在原表基础上，作了扩充，增加到18个等级（0—17级），见下表。

蒲氏风力分级表

风电场依靠风力发电，要有足够的风速，一般建在年平均风速大于6m/s的地区，有关风力机的风速问题可参见“垂直轴风力机园地”中“风能与风功率”与“风轮尺寸与额定风速”章节。

脉动风（湍流）

事实上风速风向从来就是不稳定的，在靠近地面尤其不稳定，而且变化是随机的。把风速频繁变化的风称为脉动风，也就是湍流。地面的山体，建筑等会阻碍气流的运动，使风速风向发生变化，甚至产生漩涡，地面的城市建筑、森林的摩擦阻碍低空气流运动，这就造成了湍流；水平气流与局部上升的热空气相遇也会引起湍流；在风电场内，众多的风力机的尾流也会引起湍流。 空间某点的脉动风速指某时刻该点上的瞬时风速与平均风速的差值，一般取10分钟的风速平均值为平均风速。脉动风对风力机运行影响较大，特别是风速变化时间短的脉动风，所以风电场要建在脉动风较小的地区。

风力的测量

风力不仅有大小还有方向，可通过仪器来测量风力的大小与方向。根据测量原理主要有以下几类：机械式、超声波式、声振荡、压力式与热线式等，在一般场合用得较多的是机械式与超声波式，特别是在风力发电中使用广泛。在风力发电中也称这些仪器为风速与风向传感器。

机械式测风仪

风速测量仪器也叫风速传感器，最简单又常见的风速测量是三杯式风速仪，三个风杯由于阻力差而旋转，风力大则转速高，仪器内的转速传感器把风杯转速变为电信号输出。图1就是三杯式风速仪外形图

图1  三杯式风速仪-风速传感器

最简单又常见的风向测量是风向标，也叫风向传感器，其原理不言而喻。其指向的角度由仪器内的角度传感器转变为电信号输出。图2就为风向标外形图

图2  风向标-风向传感器

图3是是一种同时可测量风速与风向的仪器，仪器前方有测量转速的浆叶，浆叶随风速加大而增高，仪器后方有随风而摆的翼片，仪器内有转速传感器与角度传感器分别把风速与风向转换为电信号输出。图3就是该种仪器的外形图

图3  风速风向传感器

机械式测风仪结构简单、价格低廉；缺点是有旋转件，存在磨损损耗，易被风沙磨损，冰冻雨雪会影响运行，需定期维护。

超声波式风速风向仪

超声波风速风向仪也叫超声波风速风向传感器，有多种测量计算方法，其中传播时差法简单也用得较多。时差法通过超声波在空气中的传播速度来测量风速，顺风传播速度快，逆风传播速度慢，风速为零时双向速度一样。图4就是一个超声波风速风向仪，在上方有四个超声波探头，每个探头即可发送超声波也能接受超声波，相对的两个探头是一组。每一组探头可测出相对方向的风速，两组探头联合则可测出具体的风速与风向。

图4  超声波风速风向传感器

超声波式风速风向仪最大优点是无机械摩损，缺点是尺寸大些，雨、雪、霜、雾、沙尘会影响测量，使输出误差加大。采用探头加热技术，可防止冰雪对传感器造成的影响，以适合在恶劣天气条件下使用。