針對微風發(fā)電的城市風場特性初步研究*

李登君，韋雅文，季豐

（三江學(xué)院機械工程學(xué)院，南京 210012）

針對微風發(fā)電的城市風場特性初步研究*

李登君，韋雅文，季豐

（三江學(xué)院機械工程學(xué)院，南京 210012）

近年來，風電行業(yè)在全球都獲得了快速發(fā)展。但傳統(tǒng)風電機組在城市環(huán)境中卻難以正常工作。為了實現(xiàn)在城市中進行微風發(fā)電，就需要探究其原因，對城市風場特性進行分析和研究。本研究以南京作為代表城市，使用便攜式風速儀和固定式氣象站對城市環(huán)境中的風場特性進行了觀測和分析。根據(jù)結(jié)果，總結(jié)出影響風力發(fā)電效果的城市風場特性主要有三大方面：低風速、頻變風向和湍流。最后對照傳統(tǒng)風力發(fā)電選址的技術(shù)標準提出城市風力發(fā)電的發(fā)展方向。

城市風場特性；風力數(shù)據(jù)采集；低風速；頻變風向；湍流

0 引 言

當今世界環(huán)境污染問題日益嚴重，使得人們越來越重視清潔能源的應(yīng)用。風能作為可再生能源，獲得了人類的廣泛利用?，F(xiàn)在，全球風力發(fā)電容量每年都在快速增長，風電所占電網(wǎng)容量的比例也在逐年提高[1]。但是，獲得成功應(yīng)用的風電場幾乎都在偏遠地區(qū)，在能量消耗非常集中的城市地區(qū)，卻極少見到風電機組的身影。目前風電需要從偏遠的風電場遠距離傳輸至城市地區(qū)，會導(dǎo)致大量電能損失，并消耗大量的人力和物力資源。事實上，目前風電的成本超過了傳統(tǒng)的火力發(fā)電和水力發(fā)電[2-3]。高成本意味著有高的間接能源消耗，因此風電并不“清潔”。雖然在城市中進行風力發(fā)電可有效提高“清潔度”，但是傳統(tǒng)風電機組直接安裝在城市環(huán)境中卻很少能夠正常運轉(zhuǎn)工作。

許多機構(gòu)和個人都曾致力于微風發(fā)電機的研究工作，期望在城市中能夠直接獲取清潔的風能進行發(fā)電，并產(chǎn)生了很多專利和發(fā)明。然而，我們并未在城市中見到大量使用風電機組的場景。阻礙風力發(fā)電技術(shù)在城市中推廣應(yīng)用的原因是什么？僅僅是眾所周知的低風速嗎？是否還有其他重要的因素？為了讓后續(xù)的微風發(fā)電技術(shù)研究能夠順利進行并獲得成功，本文對微風發(fā)電的主要應(yīng)用環(huán)境——城市風場進行了觀測、分析和初步研究，總結(jié)出城市風場的特性，以及發(fā)展城市微風發(fā)電所必須解決的問題。

1 城市風場研究方法

目前，對于城市風場特性的研究大多針對城市建筑，很少有資料涉及針對風力發(fā)電的城市風場研究。為了有針對性地進行微風發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)，本文提出了針對微風發(fā)電的城市風場研究方法。

1.1 傳統(tǒng)風力發(fā)電選址要求

通常風力發(fā)電選址有以下幾點技術(shù)標準[4]：

（1）風能資源豐富區(qū)，指年平均風速6m/s以上，年平均有效風功率密度大于300W/m2，風速為3－25m/s的小時數(shù)在5000小時以上；

（2）容量系數(shù)較大地區(qū)；

（3）風向穩(wěn)定地區(qū)；

（4）風速年變化較小地區(qū)；

（5）氣象災(zāi)害較少地區(qū)；

（6）湍流強度小的地區(qū)。

1.2 城市風場研究方法

從以上標準來看，城市風場條件除了可能滿足第5項以外，其他項都難以滿足。但這個技術(shù)標準可作為確定城市風場研究方法的參考依據(jù)。城市風場的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可通過以下兩個方法來獲?。?/p>

一是天氣預(yù)報，可長期收集國家氣象局發(fā)布的各大城市的風力數(shù)據(jù)。此方式最方便的方法是查閱專業(yè)氣象網(wǎng)站。本文主要參考www.weather.com.cn網(wǎng)站發(fā)布的天氣數(shù)據(jù)。

二是在城市各個區(qū)域進行長期觀測?？赏ㄟ^便攜式風速儀或固定式風速儀進行數(shù)據(jù)采集。

第一種方法得到的信息實際是每個城市范圍內(nèi)若干個固定氣象觀測點的加權(quán)平均數(shù)據(jù)，可顯示整個城市的總體風力狀態(tài)，但不能代表城市內(nèi)部具體地點的實際風力。方法二可以觀測到具體地點的風力狀態(tài)，通常和第一種方法得到的數(shù)據(jù)不盡相同，但二者的相關(guān)性很強。這兩個方法得到的數(shù)據(jù)互為補充，可共同作為分析城市風場特性的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集的具體實施方案如下：

方法一：定期登錄www.weather.com.cn中國天氣網(wǎng)站查詢記錄即可；

方法二：要根據(jù)城市地形地貌和建筑物特點從多角度進行觀測。

（1）根據(jù)地形，對山丘、河流、湖泊和平地等地形分別觀測；

（2）根據(jù)建筑物，對樓群、商務(wù)區(qū)、居民區(qū)、道路、橋梁、廣場、天橋、高架橋、地鐵沿線等分別觀測；

（3）根據(jù)日出日落時間，分早、中、晚三個甚至更多時間段進行觀測；

（4）根據(jù)不同季節(jié)分別進行觀測；

（5）對于具體建筑物，要根據(jù)高低位置和東南西北多個方位進行觀測，并注意觀測附近樹木和建筑物的影響。

本次研究以南京作為代表城市進行風力數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)收集到一定程度后進行匯總整理，參照傳統(tǒng)風力發(fā)電選址的六條標準進行總結(jié)分析，得出城市風場的共性特點及其數(shù)據(jù)，作為研發(fā)微風發(fā)電設(shè)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

為收集城市風場的實際數(shù)據(jù)，使用便攜風輪式風速儀和便攜風杯式風速儀進行移動測量，并在居民樓上安裝了小型氣象站進行定點數(shù)據(jù)的收集。

2 城市風場特性分析

2.1 天氣預(yù)報數(shù)據(jù)分析

天氣預(yù)報中的風力和風向通常是根據(jù)離地面10m高度的很多個觀測點的多個時間段的測量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和平均得出的。無論是廣播電視中的天氣預(yù)報，還是網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的天氣預(yù)報，每個城市的風力等級和風向在每一天中幾乎都是預(yù)報一個固定的值。這個值代表了該地區(qū)的平均風力等級，但不代表城市中所有地區(qū)和所有時段都是這樣一個風力等級。因此，該觀測值有一定的參考價值，但不能作為微風發(fā)電研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖1 中國天氣網(wǎng)發(fā)布的7天天氣預(yù)報示例

經(jīng)過較長時間的跟蹤查閱后發(fā)現(xiàn)，南京地區(qū)的常見風力等級為3－4級。根據(jù)蒲福風力等級表，風速范圍3.4m/ s－7.9m/s。圖1為風力范圍變化較大的中國天氣網(wǎng)發(fā)布的7天天氣預(yù)報，其中多數(shù)風力等級為3－4級。在實際查閱中，多數(shù)預(yù)報幾乎都是3－4級。低于3級和高于4級的風力出現(xiàn)概率都比較低。由此看來，南京地區(qū)是適合進行微風發(fā)電的。

2.2 城市中移動觀測數(shù)據(jù)分析

城市中地貌和建筑外形復(fù)雜，導(dǎo)致風場的差異性很大，因而數(shù)據(jù)采集需要廣泛布點。但這樣工作量將非常巨大，難以完成。實際觀測時先根據(jù)研究方法二的要求針對各種各樣的地形特點進行初步測量，然后根據(jù)測量結(jié)果篩選出適合進行微風發(fā)電的地點進一步測量分析。由于手工測量能夠獲取的數(shù)據(jù)量非常少，在測量過程中還需要觀察這些采集點的風力特點，并進行對比分析，為微風發(fā)電選址提供更多的參考依據(jù)。

圖2是經(jīng)過篩選后的部分采集點的最大風速圖。其中有5個地面采集點，2個樓頂采集點。樓頂采集點都是附近范圍內(nèi)的最高點。從圖中可以看出，各個采集點在相同的時間段內(nèi)測量到的風速差異性很大。實際采集過程中同一地點在不同時間段的風速差異性也很大。在這樣的情況下，零散的數(shù)據(jù)很難全面反映每個采集點的具體風力狀況。這些數(shù)據(jù)只能用來粗略判斷采集點的風力等級高低。另外，從圖2中可以看出，所有采集點中最大風力能達到3級（3.4m/s）以上的情況并不多，說明城市內(nèi)部的實際風速是明顯低于天氣預(yù)報等級的。天氣預(yù)報的風力等級不能作為城市微風發(fā)電研究的依據(jù)。但在測量過程中發(fā)現(xiàn)，實測風速的大小是隨著天氣預(yù)報等級同步變化的。

根據(jù)圖2，地面采集點1的風速值最大。在有風的時間段，其風速和樓頂采集點相當。在無風的時間段，包括樓頂在內(nèi)的采集點都很難采集到風速，而采集點1依然可以采集到較大的風速?？梢钥闯觯杉c1是一個非常適于進行風力發(fā)電的地點。圖3是采集點1的環(huán)境照片。采集位置位于照片中的道路交叉口。參考文獻[5]的論述，經(jīng)過觀察分析，該地點具有兩個提高風速的地形特點：一是位于大面積坡道的下方，冷空氣會沿著坡道下流而產(chǎn)生局部循環(huán)風；二是路口西側(cè)有一個空曠的廣場，該路口就成為了廣場的一個出入口，在建筑物的遮擋下形成狹管效應(yīng)而提高風速。經(jīng)過對比，采集點1不僅風速不低于空曠的樓頂采集點，而且持續(xù)有風的時間段要多于樓頂點。采集點1的地形特征可以作為城市微風發(fā)電中和樓頂同等重要的研究方向。

圖2 部分采集點的人工測量最大風速圖

圖3 采集點1的照片

在采集點1周圍觀測時還發(fā)現(xiàn)一個現(xiàn)象：樓頂旗幟飄揚的方向和地面觀測到的風向會出現(xiàn)相反的情況，在風力比較大的天氣中也會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象。這說明存在局部循環(huán)風。在很多地點也經(jīng)?？梢杂^測到旋風。因此，可以判斷城市風場的方向性是比較紊亂的。對于風電機組而言，在同一個迎風面出現(xiàn)多個風向?qū)o法形成方向一致的驅(qū)動力，從而不能旋轉(zhuǎn)工作。相比低風速，紊亂的風向可能是導(dǎo)致風電機組在城市中難以正常工作的更重要的因素。對于傳統(tǒng)風電機組而言，迎風面尺寸越大，遇到紊亂風向的可能性也越大。因此，在城市中不宜使用大尺寸的風電機組。

通過一段時間的觀測和數(shù)據(jù)分析，初步總結(jié)出明顯影響城市微風發(fā)電的地形特點。

以下為城市中風速相對較高的場所：

（1）高樓的頂部和外墻面。此部位接近城市冠層的頂部，空氣流動相對順暢；

（2）寬敞道路的兩側(cè)及道路交叉口?？諝馊菀籽氐缆贩较蛄鲃?，在交叉口更可以多向流動；

（3）寬闊的廣場或湖面周圍，因障礙物較少有利于風的運動。在這些空曠地帶周邊的進出口，會產(chǎn)生相對較高的風速；

（4）建筑物之間狹縫的兩端。狹縫中會有狹管效應(yīng)，產(chǎn)生定向風。狹縫兩端可利用風向會更多一些；

（5）特定的地形會產(chǎn)生沿地勢上下流動的坡道風；

（6）高架橋、地鐵站臺。高架橋和地鐵的地面站臺通常和周圍建筑物間距較大，有便于風運動的空間。對于地鐵的地下站臺，會因為地鐵的運行而產(chǎn)生較大的空氣流動，可以適當回收利用這些能量。

以下是一些不宜使用風力發(fā)電的場所：

（1）周圍有高大樹木遮擋的房屋；

（2）建筑群中低矮的房屋；

（3）地勢明顯低于周邊的區(qū)域。

2.3 居民樓定點采集數(shù)據(jù)分析

風電機組在實際應(yīng)用中總是固定在一個地點工作的，而每個具體地點的風力數(shù)據(jù)往往和天氣預(yù)報是不一致的。為了了解城市中固定地點的空氣流場特性，獲得比較接近實際工作狀態(tài)時的風力數(shù)據(jù)，在南京市區(qū)選擇密集建筑群中某七層居民樓頂層陽臺處安裝氣象設(shè)備連續(xù)采集風力數(shù)據(jù)。氣象設(shè)備選用美國Ambient公司的WS-1090小型無線氣象站（以下簡稱WS－1090）。該氣象站采用三杯式風速計測量風速，采用尾翼式風向標測量風向。其中風力測量的相關(guān)參數(shù)如下：

（1）風速測量范圍0－112mph（0—50m/s），測量誤差±10%；

（2）風向測量范圍0－360°，共16個位置點，測量精度22.5°；

（3）測量周期為48s，記錄周期平均風速、周期最大陣風風速和風速等級；

（4）主機采用無線方式接收數(shù)據(jù)，最遠距離100m。連續(xù)工作時間取決于電池，通常超過半年時間；

（5）可連續(xù)記錄4080組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)最短間隔時間為min。數(shù)據(jù)可導(dǎo)入計算機中分析；

（6）另可測量并記錄溫度、濕度、雨量和大氣壓等。

WS－1090采集的風力數(shù)據(jù)包括平均風速（Wind Velocity）、陣風風速（Gust Velocity）、平均風級（Wind Level）、陣風風級（Gust Level）和風向。其中，風速的采集精度高于風級。因此，分析數(shù)據(jù)時統(tǒng)計風速即可。風向數(shù)據(jù)可用于分析風頻。采集的數(shù)據(jù)可輸入計算機并導(dǎo)出為文本格式，便于后期分析處理。

傳統(tǒng)風電技術(shù)規(guī)定風速低于3m/s時為不可利用風能。本研究的目的是開發(fā)低速微風發(fā)電系統(tǒng)，根據(jù)前期對微風發(fā)電技術(shù)的研究和試驗，可將風能利用極限下延至2m/s。在對WS-1090采集的數(shù)據(jù)進行分析時，低于2m/s的風速定義為不可利用風能，只統(tǒng)計分析2m/s以上的風力數(shù)據(jù)。在實際采集過程中發(fā)生信號故障時會產(chǎn)生空白記錄。因此，在數(shù)據(jù)分析前需要先去除無效數(shù)據(jù)記錄，避免影響統(tǒng)計結(jié)果。

圖4為WS－1090采集的某一天風速折線圖?？梢钥闯?，風速范圍0－10m/s，變化很大，很頻繁，且陣風風速明顯大于平均風速。這說明了城市風場中的風速是不連續(xù)不穩(wěn)定的。

經(jīng)過一段時間采集數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，在居民樓采集點周圍的風力狀況和天氣預(yù)報有很大的差異。以圖5所示一組連續(xù)30天采集的數(shù)據(jù)為例：每天最多采集289條數(shù)據(jù)，以最低可利用風速2m/s為統(tǒng)計界限，統(tǒng)計風電機組可能的工作時間。經(jīng)統(tǒng)計，其中最大日平均風速1.83m/s，30天平均風速0.47m/s，30天平均陣風風速1.25m/s。這個結(jié)果明顯低于天氣預(yù)報的風力等級，也證實了一個現(xiàn)象：傳統(tǒng)風電機組安裝在城市中很少能夠啟動工作。經(jīng)統(tǒng)計，該30天內(nèi)風力持續(xù)達到2m/s以上的時間占總時間的5.27%，而陣風可以達到2m/s以上占總時間的21.83%。據(jù)此可以推算出全年約有460小時具有可連續(xù)利用的風能，約2000小時內(nèi)具有可利用的風能。其余時間段內(nèi)最大風速都低于2m/s，能量難以采集利用。由此可見，城市中風能的容量系數(shù)是很低的。因此，城市型微風發(fā)電機必須具有良好的低速工作特性，并且能適應(yīng)更大的工作風速范圍，以盡量多地利用有限的城市風能。

在對風向數(shù)據(jù)采集和分析過程中發(fā)現(xiàn)，風向變化非常頻繁，幾乎每秒鐘風向都會發(fā)生變化。而WS－1090最快5min才記錄一次數(shù)據(jù)，采集精度達不到實際使用需求。通過肉眼直接觀察后發(fā)現(xiàn)，無論風速大小，風向都會頻繁變化，最快2s內(nèi)變化幅度超過360°。這個現(xiàn)象給需要對風后才能工作的水平軸式風電機組帶來極大的困難。即使在風速較高的條件下，如此快速變化的風向也會造成風電機組無法正常對風工作。

圖4 WS-1090型氣象站軟件的24小時風速折線圖

圖5 連續(xù)30天的日平均風速

另外，觀測中發(fā)現(xiàn)三杯式風速計在高速轉(zhuǎn)動時會發(fā)生突然趨于停止的現(xiàn)象，這說明風向在快速向風速計旋轉(zhuǎn)的反方向變化。雖然多數(shù)垂直軸式風電機組是萬向受風型，無需對風裝置，但是其工作原理和三杯式風速計是相似的，在這種狀態(tài)下工作能力也會受到影響。

風速和風向的頻繁變化都表明城市風場中充斥著大量的湍流。傳統(tǒng)風電機組在大量的湍流中是難以正常工作的。因此，要在城市中利用微風進行發(fā)電就必須實現(xiàn)風電機組在湍流狀態(tài)下能夠正常工作。

3 城市風場特性總結(jié)

在城市中利用高空風能是很危險且受到限制的，大量開發(fā)利用城市風能應(yīng)針對近地面風場。經(jīng)過較長時間的觀察和大量數(shù)據(jù)的分析后，總結(jié)出直接影響風電機組工作能力的城市風場特性：

（1）城市邊界層內(nèi)部風速明顯低于外部風速，尤其是在大量建筑群中間，絕大多數(shù)地點的風速要比天氣預(yù)報的風速低很多；

（2）城市內(nèi)部風場風速主要受外部風場影響，雖風速偏低，但大小變化基本與外部風場同步。近地風場受地形和建筑物的影響很大。多數(shù)情況下是降低風速，但局部地區(qū)反而會增加風速；

（3）城市風場既不穩(wěn)定也不連續(xù)，風向變化非常頻繁，經(jīng)常會出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)風；

（4）受大量建筑群的影響，城市中近地風充斥著大量湍流，屬于紊流流場；

（5）城市中不同地點風力差異性很大。即便是很近的距離，比如同一個樓頂平臺，東西南北位置測量出來的數(shù)據(jù)差別也可能會很大。

4 結(jié) 論

根據(jù)觀測與分析的結(jié)果，對城市風力發(fā)電影響程度最大的因素有：低風速、頻變風向和湍流。城市風場特性與野外自然風場有很大的不同[9]。對照傳統(tǒng)風力發(fā)電選址的技術(shù)標準，得出以下結(jié)論：

（1）城市屬于風能資源貧乏區(qū)，城市風力發(fā)電應(yīng)針對低速微風發(fā)電；

（2）城市風能的容量系數(shù)很低，應(yīng)盡量擴大風電機組的工作風速范圍，可增加容量系數(shù)；

（3）城市風方向性變化很快很頻繁，非常不利于需要對風工作的水平軸風電機組。城市型風電機組宜采用萬向受風的類型；

（4）受建筑物影響，城市風速變化范圍很大，也很頻繁。城市型風電機組應(yīng)設(shè)計為在大范圍風速內(nèi)都具有較高的效率；

（5）總體上來說，大量建筑物的存在降低了城市風速，減少了風災(zāi)害可能性，但局部地區(qū)可能會出現(xiàn)更強的極端陣風。所以，城市型風電機組應(yīng)具有更高的安全系數(shù)。

（6）城市風場中充斥著大量湍流，嚴重影響傳統(tǒng)風電機組的工作性能。城市型風電機組應(yīng)開發(fā)出新的結(jié)構(gòu)來適應(yīng)湍流流場特性。風電機組尺寸應(yīng)考慮常見的城市湍流尺度，不宜過大。

以上結(jié)論主要基于在南京市觀測到的數(shù)據(jù)和結(jié)果，對于大部分其他城市也可適用。

[1]WWEA Head Office. World wind energy report 2010[R]. Germany: World Wind Energy Association WWEA 2011.

[2]蘇紹禹. 風力發(fā)電機設(shè)計與運行維護[M]. 北京: 中國電力出版社, 2003.

[3]Vaughn Nelson. Wind Energy: Renewable Energy and the Environment[M]. NewYork: CRC Press, 2009: 245-264.

[4]張志英,趙萍,李銀鳳,劉萬琨. 風能與風力發(fā)電技術(shù)第二版[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2010: 24-25.

[5]陳飛. 高層建筑風環(huán)境研究[J]. 建筑學(xué)報, 2008(2):72-77.

[6]劉輝志,姜瑜君,梁彬,等. 城市高大建筑群周圍風環(huán)境研究[J]. 中國科學(xué)D輯(地球科學(xué)), 2005, 35 (增刊Ⅰ): 84-96.

[7]Dan chiras, Mick Sagrillo, Ian Woofenden. Power from the Wind[M]. Canada: New Society Publishers, 2009.

[8]徐剛,劉宏昭,穆安樂,等. 基于實測風數(shù)據(jù)的風力機設(shè)計與改進研究[J]. 太陽能學(xué)報, 2012, 33(4): 564-570.

[9] 呼津華.低風速風電項目風資源分析的幾點體會[J].風能,2012(4):79-81.

A Preliminary Research of Urban Wind Farm Characteristics for the Breeze Power Generation

Li Dengjun, WeiYawen, Ji Feng
(Department of Mechanical Engineering, Sanjiang University, Nanjing 210012, China)

In recent years, the wind power industry in the world has achieved rapid growth. But traditional wind turbine is difficult to work properly in an urban environment. A preliminary study of urban wind farm characteristics was made in order to find out the reason and make the generation breeze in urban area to become reality. In this study, portable anemometer and fixed weather station were used to observe and analysis for the characteristics of urban wind farm in Nanjing city, which was made as representative. According to the measurement results, the three mainly influencing factors of urban wind farm characteristics that impact the effect of wind power generation are: low wind velocity, frequent changing wind direction and turbulence. At last, the direction of development for urban wind power generation was put forward according to the technical standards of address selection for traditional wind power generation.

characteristics of urban wind farm; collection data for wind; low wind velocity; frequent changing wind direction; turbulence

TK81

A

1674-9219(2013)09-0084-06

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃（201211122009）。

2013-07-15。

李登君（1991-），男，本科在校生，學(xué)習材料成型與控制專業(yè)。

韋雅文（1992-），女，本科在校生，學(xué)習機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)。

季豐（1973-），男，本科，工程師，主要從事機械專業(yè)教學(xué)和微風發(fā)電方面的研究。