李登君，韋雅文，季豐

（三江學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，南京 210012）

針對(duì)微風(fēng)發(fā)電的城市風(fēng)場(chǎng)特性初步研究*

李登君，韋雅文，季豐

（三江學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，南京 210012）

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

城市風(fēng)場(chǎng)特性；風(fēng)力數(shù)據(jù)采集；低風(fēng)速；頻變風(fēng)向；湍流

0 引 言

當(dāng)今世界環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，使得人們?cè)絹?lái)越重視清潔能源的應(yīng)用。風(fēng)能作為可再生能源，獲得了人類的廣泛利用?，F(xiàn)在，全球風(fēng)力發(fā)電容量每年都在快速增長(zhǎng)，風(fēng)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(fēng)電場(chǎng)幾乎都在偏遠(yuǎn)地區(qū)，在能量消耗非常集中的城市地區(qū)，卻極少見(jiàn)到風(fēng)電機(jī)組的身影。目前風(fēng)電需要從偏遠(yuǎn)的風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)距離傳輸至城市地區(qū)，會(huì)導(dǎo)致大量電能損失，并消耗大量的人力和物力資源。事實(shí)上，目前風(fēng)電的成本超過(guò)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(fēng)電并不“清潔”。雖然在城市中進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電可有效提高“清潔度”，但是傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組直接安裝在城市環(huán)境中卻很少能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)工作。

許多機(jī)構(gòu)和個(gè)人都曾致力于微風(fēng)發(fā)電機(jī)的研究工作，期望在城市中能夠直接獲取清潔的風(fēng)能進(jìn)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(jiàn)到大量使用風(fēng)電機(jī)組的場(chǎng)景。阻礙風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在城市中推廣應(yīng)用的原因是什么？?jī)H僅是眾所周知的低風(fēng)速嗎？是否還有其他重要的因素？為了讓后續(xù)的微風(fēng)發(fā)電技術(shù)研究能夠順利進(jìn)行并獲得成功，本文對(duì)微風(fēng)發(fā)電的主要應(yīng)用環(huán)境——城市風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了觀測(cè)、分析和初步研究，總結(jié)出城市風(fēng)場(chǎng)的特性，以及發(fā)展城市微風(fēng)發(fā)電所必須解決的問(wèn)題。

1 城市風(fēng)場(chǎng)研究方法

目前，對(duì)于城市風(fēng)場(chǎng)特性的研究大多針對(duì)城市建筑，很少有資料涉及針對(duì)風(fēng)力發(fā)電的城市風(fēng)場(chǎng)研究。為了有針對(duì)性地進(jìn)行微風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，本文提出了針對(duì)微風(fēng)發(fā)電的城市風(fēng)場(chǎng)研究方法。

1.1 傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電選址要求

通常風(fēng)力發(fā)電選址有以下幾點(diǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[4]：

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

（2）容量系數(shù)較大地區(qū)；

（3）風(fēng)向穩(wěn)定地區(qū)；

（4）風(fēng)速年變化較小地區(qū)；

（5）氣象災(zāi)害較少地區(qū)；

（6）湍流強(qiáng)度小的地區(qū)。

1.2 城市風(fēng)場(chǎng)研究方法

從以上標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，城市風(fēng)場(chǎng)條件除了可能滿足第5項(xiàng)以外，其他項(xiàng)都難以滿足。但這個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可作為確定城市風(fēng)場(chǎng)研究方法的參考依據(jù)。城市風(fēng)場(chǎng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可通過(guò)以下兩個(gè)方法來(lái)獲?。?/p>

一是天氣預(yù)報(bào)，可長(zhǎng)期收集國(guó)家氣象局發(fā)布的各大城市的風(fēng)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(gè)區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)?？赏ㄟ^(guò)便攜式風(fēng)速儀或固定式風(fēng)速儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

第一種方法得到的信息實(shí)際是每個(gè)城市范圍內(nèi)若干個(gè)固定氣象觀測(cè)點(diǎn)的加權(quán)平均數(shù)據(jù)，可顯示整個(gè)城市的總體風(fēng)力狀態(tài)，但不能代表城市內(nèi)部具體地點(diǎn)的實(shí)際風(fēng)力。方法二可以觀測(cè)到具體地點(diǎn)的風(fēng)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(qiáng)。這兩個(gè)方法得到的數(shù)據(jù)互為補(bǔ)充，可共同作為分析城市風(fēng)場(chǎng)特性的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集的具體實(shí)施方案如下：

方法一：定期登錄www.weather.com.cn中國(guó)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(diǎn)從多角度進(jìn)行觀測(cè)。

（1）根據(jù)地形，對(duì)山丘、河流、湖泊和平地等地形分別觀測(cè)；

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

（3）根據(jù)日出日落時(shí)間，分早、中、晚三個(gè)甚至更多時(shí)間段進(jìn)行觀測(cè)；

（4）根據(jù)不同季節(jié)分別進(jìn)行觀測(cè)；

（5）對(duì)于具體建筑物，要根據(jù)高低位置和東南西北多個(gè)方位進(jìn)行觀測(cè)，并注意觀測(cè)附近樹(shù)木和建筑物的影響。

本次研究以南京作為代表城市進(jìn)行風(fēng)力數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)收集到一定程度后進(jìn)行匯總整理，參照傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電選址的六條標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行總結(jié)分析，得出城市風(fēng)場(chǎng)的共性特點(diǎn)及其數(shù)據(jù)，作為研發(fā)微風(fēng)發(fā)電設(shè)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

為收集城市風(fēng)場(chǎng)的實(shí)際數(shù)據(jù)，使用便攜風(fēng)輪式風(fēng)速儀和便攜風(fēng)杯式風(fēng)速儀進(jìn)行移動(dòng)測(cè)量，并在居民樓上安裝了小型氣象站進(jìn)行定點(diǎn)數(shù)據(jù)的收集。

2 城市風(fēng)場(chǎng)特性分析

2.1 天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)分析

天氣預(yù)報(bào)中的風(fēng)力和風(fēng)向通常是根據(jù)離地面10m高度的很多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的多個(gè)時(shí)間段的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和平均得出的。無(wú)論是廣播電視中的天氣預(yù)報(bào)，還是網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的天氣預(yù)報(bào)，每個(gè)城市的風(fēng)力等級(jí)和風(fēng)向在每一天中幾乎都是預(yù)報(bào)一個(gè)固定的值。這個(gè)值代表了該地區(qū)的平均風(fēng)力等級(jí)，但不代表城市中所有地區(qū)和所有時(shí)段都是這樣一個(gè)風(fēng)力等級(jí)。因此，該觀測(cè)值有一定的參考價(jià)值，但不能作為微風(fēng)發(fā)電研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖1 中國(guó)天氣網(wǎng)發(fā)布的7天天氣預(yù)報(bào)示例

經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的跟蹤查閱后發(fā)現(xiàn)，南京地區(qū)的常見(jiàn)風(fēng)力等級(jí)為3－4級(jí)。根據(jù)蒲福風(fēng)力等級(jí)表，風(fēng)速范圍3.4m/ s－7.9m/s。圖1為風(fēng)力范圍變化較大的中國(guó)天氣網(wǎng)發(fā)布的7天天氣預(yù)報(bào)，其中多數(shù)風(fēng)力等級(jí)為3－4級(jí)。在實(shí)際查閱中，多數(shù)預(yù)報(bào)幾乎都是3－4級(jí)。低于3級(jí)和高于4級(jí)的風(fēng)力出現(xiàn)概率都比較低。由此看來(lái)，南京地區(qū)是適合進(jìn)行微風(fēng)發(fā)電的。

2.2 城市中移動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

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

圖2是經(jīng)過(guò)篩選后的部分采集點(diǎn)的最大風(fēng)速圖。其中有5個(gè)地面采集點(diǎn)，2個(gè)樓頂采集點(diǎn)。樓頂采集點(diǎn)都是附近范圍內(nèi)的最高點(diǎn)。從圖中可以看出，各個(gè)采集點(diǎn)在相同的時(shí)間段內(nèi)測(cè)量到的風(fēng)速差異性很大。實(shí)際采集過(guò)程中同一地點(diǎn)在不同時(shí)間段的風(fēng)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(gè)采集點(diǎn)的具體風(fēng)力狀況。這些數(shù)據(jù)只能用來(lái)粗略判斷采集點(diǎn)的風(fēng)力等級(jí)高低。另外，從圖2中可以看出，所有采集點(diǎn)中最大風(fēng)力能達(dá)到3級(jí)（3.4m/s）以上的情況并不多，說(shuō)明城市內(nèi)部的實(shí)際風(fēng)速是明顯低于天氣預(yù)報(bào)等級(jí)的。天氣預(yù)報(bào)的風(fēng)力等級(jí)不能作為城市微風(fēng)發(fā)電研究的依據(jù)。但在測(cè)量過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)風(fēng)速的大小是隨著天氣預(yù)報(bào)等級(jí)同步變化的。

根據(jù)圖2，地面采集點(diǎn)1的風(fēng)速值最大。在有風(fēng)的時(shí)間段，其風(fēng)速和樓頂采集點(diǎn)相當(dāng)。在無(wú)風(fēng)的時(shí)間段，包括樓頂在內(nèi)的采集點(diǎn)都很難采集到風(fēng)速，而采集點(diǎn)1依然可以采集到較大的風(fēng)速?？梢钥闯觯杉c(diǎn)1是一個(gè)非常適于進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電的地點(diǎn)。圖3是采集點(diǎn)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(xiàn)[5]的論述，經(jīng)過(guò)觀察分析，該地點(diǎn)具有兩個(gè)提高風(fēng)速的地形特點(diǎn)：一是位于大面積坡道的下方，冷空氣會(huì)沿著坡道下流而產(chǎn)生局部循環(huán)風(fēng)；二是路口西側(cè)有一個(gè)空曠的廣場(chǎng)，該路口就成為了廣場(chǎng)的一個(gè)出入口，在建筑物的遮擋下形成狹管效應(yīng)而提高風(fēng)速。經(jīng)過(guò)對(duì)比，采集點(diǎn)1不僅風(fēng)速不低于空曠的樓頂采集點(diǎn)，而且持續(xù)有風(fēng)的時(shí)間段要多于樓頂點(diǎn)。采集點(diǎn)1的地形特征可以作為城市微風(fēng)發(fā)電中和樓頂同等重要的研究方向。

圖2 部分采集點(diǎn)的人工測(cè)量最大風(fēng)速圖

圖3 采集點(diǎn)1的照片

在采集點(diǎn)1周圍觀測(cè)時(shí)還發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象：樓頂旗幟飄揚(yáng)的方向和地面觀測(cè)到的風(fēng)向會(huì)出現(xiàn)相反的情況，在風(fēng)力比較大的天氣中也會(huì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象。這說(shuō)明存在局部循環(huán)風(fēng)。在很多地點(diǎn)也經(jīng)?？梢杂^測(cè)到旋風(fēng)。因此，可以判斷城市風(fēng)場(chǎng)的方向性是比較紊亂的。對(duì)于風(fēng)電機(jī)組而言，在同一個(gè)迎風(fēng)面出現(xiàn)多個(gè)風(fēng)向?qū)o(wú)法形成方向一致的驅(qū)動(dòng)力，從而不能旋轉(zhuǎn)工作。相比低風(fēng)速，紊亂的風(fēng)向可能是導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組在城市中難以正常工作的更重要的因素。對(duì)于傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組而言，迎風(fēng)面尺寸越大，遇到紊亂風(fēng)向的可能性也越大。因此，在城市中不宜使用大尺寸的風(fēng)電機(jī)組。

通過(guò)一段時(shí)間的觀測(cè)和數(shù)據(jù)分析，初步總結(jié)出明顯影響城市微風(fēng)發(fā)電的地形特點(diǎn)。

以下為城市中風(fēng)速相對(duì)較高的場(chǎng)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(dòng)相對(duì)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?dòng)，在交叉口更可以多向流動(dòng)；

（3）寬闊的廣場(chǎng)或湖面周圍，因障礙物較少有利于風(fēng)的運(yùn)動(dòng)。在這些空曠地帶周邊的進(jìn)出口，會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較高的風(fēng)速；

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

（5）特定的地形會(huì)產(chǎn)生沿地勢(shì)上下流動(dòng)的坡道風(fēng)；

（6）高架橋、地鐵站臺(tái)。高架橋和地鐵的地面站臺(tái)通常和周圍建筑物間距較大，有便于風(fēng)運(yùn)動(dòng)的空間。對(duì)于地鐵的地下站臺(tái)，會(huì)因?yàn)榈罔F的運(yùn)行而產(chǎn)生較大的空氣流動(dòng)，可以適當(dāng)回收利用這些能量。

以下是一些不宜使用風(fēng)力發(fā)電的場(chǎng)所：

（1）周圍有高大樹(shù)木遮擋的房屋；

（2）建筑群中低矮的房屋；

（3）地勢(shì)明顯低于周邊的區(qū)域。

2.3 居民樓定點(diǎn)采集數(shù)據(jù)分析

風(fēng)電機(jī)組在實(shí)際應(yīng)用中總是固定在一個(gè)地點(diǎn)工作的，而每個(gè)具體地點(diǎn)的風(fēng)力數(shù)據(jù)往往和天氣預(yù)報(bào)是不一致的。為了了解城市中固定地點(diǎn)的空氣流場(chǎng)特性，獲得比較接近實(shí)際工作狀態(tài)時(shí)的風(fēng)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(yáng)臺(tái)處安裝氣象設(shè)備連續(xù)采集風(fēng)力數(shù)據(jù)。氣象設(shè)備選用美國(guó)Ambient公司的WS-1090小型無(wú)線氣象站（以下簡(jiǎn)稱WS－1090）。該氣象站采用三杯式風(fēng)速計(jì)測(cè)量風(fēng)速，采用尾翼式風(fēng)向標(biāo)測(cè)量風(fēng)向。其中風(fēng)力測(cè)量的相關(guān)參數(shù)如下：

（1）風(fēng)速測(cè)量范圍0－112mph（0—50m/s），測(cè)量誤差±10%；

（2）風(fēng)向測(cè)量范圍0－360°，共16個(gè)位置點(diǎn)，測(cè)量精度22.5°；

（3）測(cè)量周期為48s，記錄周期平均風(fēng)速、周期最大陣風(fēng)風(fēng)速和風(fēng)速等級(jí)；

（4）主機(jī)采用無(wú)線方式接收數(shù)據(jù)，最遠(yuǎn)距離100m。連續(xù)工作時(shí)間取決于電池，通常超過(guò)半年時(shí)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(shí)間為min。數(shù)據(jù)可導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中分析；

（6）另可測(cè)量并記錄溫度、濕度、雨量和大氣壓等。

WS－1090采集的風(fēng)力數(shù)據(jù)包括平均風(fēng)速（Wind Velocity）、陣風(fēng)風(fēng)速（Gust Velocity）、平均風(fēng)級(jí)（Wind Level）、陣風(fēng)風(fēng)級(jí)（Gust Level）和風(fēng)向。其中，風(fēng)速的采集精度高于風(fēng)級(jí)。因此，分析數(shù)據(jù)時(shí)統(tǒng)計(jì)風(fēng)速即可。風(fēng)向數(shù)據(jù)可用于分析風(fēng)頻。采集的數(shù)據(jù)可輸入計(jì)算機(jī)并導(dǎo)出為文本格式，便于后期分析處理。

傳統(tǒng)風(fēng)電技術(shù)規(guī)定風(fēng)速低于3m/s時(shí)為不可利用風(fēng)能。本研究的目的是開(kāi)發(fā)低速微風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)，根據(jù)前期對(duì)微風(fēng)發(fā)電技術(shù)的研究和試驗(yàn)，可將風(fēng)能利用極限下延至2m/s。在對(duì)WS-1090采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，低于2m/s的風(fēng)速定義為不可利用風(fēng)能，只統(tǒng)計(jì)分析2m/s以上的風(fēng)力數(shù)據(jù)。在實(shí)際采集過(guò)程中發(fā)生信號(hào)故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生空白記錄。因此，在數(shù)據(jù)分析前需要先去除無(wú)效數(shù)據(jù)記錄，避免影響統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

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

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間采集數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，在居民樓采集點(diǎn)周圍的風(fēng)力狀況和天氣預(yù)報(bào)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(fēng)速2m/s為統(tǒng)計(jì)界限，統(tǒng)計(jì)風(fēng)電機(jī)組可能的工作時(shí)間。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，其中最大日平均風(fēng)速1.83m/s，30天平均風(fēng)速0.47m/s，30天平均陣風(fēng)風(fēng)速1.25m/s。這個(gè)結(jié)果明顯低于天氣預(yù)報(bào)的風(fēng)力等級(jí)，也證實(shí)了一個(gè)現(xiàn)象：傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組安裝在城市中很少能夠啟動(dòng)工作。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該30天內(nèi)風(fēng)力持續(xù)達(dá)到2m/s以上的時(shí)間占總時(shí)間的5.27%，而陣風(fēng)可以達(dá)到2m/s以上占總時(shí)間的21.83%。據(jù)此可以推算出全年約有460小時(shí)具有可連續(xù)利用的風(fēng)能，約2000小時(shí)內(nèi)具有可利用的風(fēng)能。其余時(shí)間段內(nèi)最大風(fēng)速都低于2m/s，能量難以采集利用。由此可見(jiàn)，城市中風(fēng)能的容量系數(shù)是很低的。因此，城市型微風(fēng)發(fā)電機(jī)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(fēng)速范圍，以盡量多地利用有限的城市風(fēng)能。

在對(duì)風(fēng)向數(shù)據(jù)采集和分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，風(fēng)向變化非常頻繁，幾乎每秒鐘風(fēng)向都會(huì)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(dá)不到實(shí)際使用需求。通過(guò)肉眼直接觀察后發(fā)現(xiàn)，無(wú)論風(fēng)速大小，風(fēng)向都會(huì)頻繁變化，最快2s內(nèi)變化幅度超過(guò)360°。這個(gè)現(xiàn)象給需要對(duì)風(fēng)后才能工作的水平軸式風(fēng)電機(jī)組帶來(lái)極大的困難。即使在風(fēng)速較高的條件下，如此快速變化的風(fēng)向也會(huì)造成風(fēng)電機(jī)組無(wú)法正常對(duì)風(fēng)工作。

圖4 WS-1090型氣象站軟件的24小時(shí)風(fēng)速折線圖

圖5 連續(xù)30天的日平均風(fēng)速

另外，觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)三杯式風(fēng)速計(jì)在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生突然趨于停止的現(xiàn)象，這說(shuō)明風(fēng)向在快速向風(fēng)速計(jì)旋轉(zhuǎn)的反方向變化。雖然多數(shù)垂直軸式風(fēng)電機(jī)組是萬(wàn)向受風(fēng)型，無(wú)需對(duì)風(fēng)裝置，但是其工作原理和三杯式風(fēng)速計(jì)是相似的，在這種狀態(tài)下工作能力也會(huì)受到影響。

風(fēng)速和風(fēng)向的頻繁變化都表明城市風(fēng)場(chǎng)中充斥著大量的湍流。傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)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(fēng)進(jìn)行發(fā)電就必須實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組在湍流狀態(tài)下能夠正常工作。

3 城市風(fēng)場(chǎng)特性總結(jié)

在城市中利用高空風(fēng)能是很危險(xiǎn)且受到限制的，大量開(kāi)發(fā)利用城市風(fēng)能應(yīng)針對(duì)近地面風(fēng)場(chǎng)。經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的觀察和大量數(shù)據(jù)的分析后，總結(jié)出直接影響風(fēng)電機(jī)組工作能力的城市風(fēng)場(chǎng)特性：

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

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

（3）城市風(fēng)場(chǎng)既不穩(wěn)定也不連續(xù)，風(fēng)向變化非常頻繁，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)風(fēng)；

（4）受大量建筑群的影響，城市中近地風(fēng)充斥著大量湍流，屬于紊流流場(chǎng)；

（5）城市中不同地點(diǎn)風(fēng)力差異性很大。即便是很近的距離，比如同一個(gè)樓頂平臺(tái)，東西南北位置測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)差別也可能會(huì)很大。

4 結(jié) 論

根據(jù)觀測(cè)與分析的結(jié)果，對(duì)城市風(fēng)力發(fā)電影響程度最大的因素有：低風(fēng)速、頻變風(fēng)向和湍流。城市風(fēng)場(chǎng)特性與野外自然風(fēng)場(chǎng)有很大的不同[9]。對(duì)照傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電選址的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，得出以下結(jié)論：

（1）城市屬于風(fēng)能資源貧乏區(qū)，城市風(fēng)力發(fā)電應(yīng)針對(duì)低速微風(fēng)發(fā)電；

（2）城市風(fēng)能的容量系數(shù)很低，應(yīng)盡量擴(kuò)大風(fēng)電機(jī)組的工作風(fēng)速范圍，可增加容量系數(shù)；

（3）城市風(fēng)方向性變化很快很頻繁，非常不利于需要對(duì)風(fēng)工作的水平軸風(fēng)電機(jī)組。城市型風(fēng)電機(jī)組宜采用萬(wàn)向受風(fēng)的類型；

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

（5）總體上來(lái)說(shuō)，大量建筑物的存在降低了城市風(fēng)速，減少了風(fēng)災(zāi)害可能性，但局部地區(qū)可能會(huì)出現(xiàn)更強(qiáng)的極端陣風(fēng)。所以，城市型風(fēng)電機(jī)組應(yīng)具有更高的安全系數(shù)。

（6）城市風(fēng)場(chǎng)中充斥著大量湍流，嚴(yán)重影響傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組的工作性能。城市型風(fēng)電機(jī)組應(yīng)開(kāi)發(fā)出新的結(jié)構(gòu)來(lái)適應(yīng)湍流流場(chǎng)特性。風(fēng)電機(jī)組尺寸應(yīng)考慮常見(jiàn)的城市湍流尺度，不宜過(guò)大。

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

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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(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（201211122009）。

2013-07-15。

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

韋雅文（1992-），女，本科在校生，學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)。

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