针对微风发电的城市风场特性初步研究*

李登君，韦雅文，季丰

（三江学院机械工程学院，南京 210012）

针对微风发电的城市风场特性初步研究*

李登君，韦雅文，季丰

（三江学院机械工程学院，南京 210012）

近年来，风电行业在全球都获得了快速发展。但传统风电机组在城市环境中却难以正常工作。为了实现在城市中进行微风发电，就需要探究其原因，对城市风场特性进行分析和研究。本研究以南京作为代表城市，使用便携式风速仪和固定式气象站对城市环境中的风场特性进行了观测和分析。根据结果，总结出影响风力发电效果的城市风场特性主要有三大方面：低风速、频变风向和湍流。最后对照传统风力发电选址的技术标准提出城市风力发电的发展方向。

城市风场特性；风力数据采集；低风速；频变风向；湍流

0 引 言

当今世界环境污染问题日益严重，使得人们越来越重视清洁能源的应用。风能作为可再生能源，获得了人类的广泛利用。现在，全球风力发电容量每年都在快速增长，风电所占电网容量的比例也在逐年提高[1]。但是，获得成功应用的风电场几乎都在偏远地区，在能量消耗非常集中的城市地区，却极少见到风电机组的身影。目前风电需要从偏远的风电场远距离传输至城市地区，会导致大量电能损失，并消耗大量的人力和物力资源。事实上，目前风电的成本超过了传统的火力发电和水力发电[2-3]。高成本意味着有高的间接能源消耗，因此风电并不“清洁”。虽然在城市中进行风力发电可有效提高“清洁度”，但是传统风电机组直接安装在城市环境中却很少能够正常运转工作。

许多机构和个人都曾致力于微风发电机的研究工作，期望在城市中能够直接获取清洁的风能进行发电，并产生了很多专利和发明。然而，我们并未在城市中见到大量使用风电机组的场景。阻碍风力发电技术在城市中推广应用的原因是什么？仅仅是众所周知的低风速吗？是否还有其他重要的因素？为了让后续的微风发电技术研究能够顺利进行并获得成功，本文对微风发电的主要应用环境——城市风场进行了观测、分析和初步研究，总结出城市风场的特性，以及发展城市微风发电所必须解决的问题。

1 城市风场研究方法

目前，对于城市风场特性的研究大多针对城市建筑，很少有资料涉及针对风力发电的城市风场研究。为了有针对性地进行微风发电系统的开发，本文提出了针对微风发电的城市风场研究方法。

1.1 传统风力发电选址要求

通常风力发电选址有以下几点技术标准[4]：

（1）风能资源丰富区，指年平均风速6m/s以上，年平均有效风功率密度大于300W/m2，风速为3－25m/s的小时数在5000小时以上；

（2）容量系数较大地区；

（3）风向稳定地区；

（4）风速年变化较小地区；

（5）气象灾害较少地区；

（6）湍流强度小的地区。

1.2 城市风场研究方法

从以上标准来看，城市风场条件除了可能满足第5项以外，其他项都难以满足。但这个技术标准可作为确定城市风场研究方法的参考依据。城市风场的基础数据可通过以下两个方法来获取：

一是天气预报，可长期收集国家气象局发布的各大城市的风力数据。此方式最方便的方法是查阅专业气象网站。本文主要参考www.weather.com.cn网站发布的天气数据。

二是在城市各个区域进行长期观测。可通过便携式风速仪或固定式风速仪进行数据采集。

第一种方法得到的信息实际是每个城市范围内若干个固定气象观测点的加权平均数据，可显示整个城市的总体风力状态，但不能代表城市内部具体地点的实际风力。方法二可以观测到具体地点的风力状态，通常和第一种方法得到的数据不尽相同，但二者的相关性很强。这两个方法得到的数据互为补充，可共同作为分析城市风场特性的重要基础数据。数据采集的具体实施方案如下：

方法一：定期登录www.weather.com.cn中国天气网站查询记录即可；

方法二：要根据城市地形地貌和建筑物特点从多角度进行观测。

（1）根据地形，对山丘、河流、湖泊和平地等地形分别观测；

（2）根据建筑物，对楼群、商务区、居民区、道路、桥梁、广场、天桥、高架桥、地铁沿线等分别观测；

（3）根据日出日落时间，分早、中、晚三个甚至更多时间段进行观测；

（4）根据不同季节分别进行观测；

（5）对于具体建筑物，要根据高低位置和东南西北多个方位进行观测，并注意观测附近树木和建筑物的影响。

本次研究以南京作为代表城市进行风力数据采集。数据收集到一定程度后进行汇总整理，参照传统风力发电选址的六条标准进行总结分析，得出城市风场的共性特点及其数据，作为研发微风发电设备的基础数据。

为收集城市风场的实际数据，使用便携风轮式风速仪和便携风杯式风速仪进行移动测量，并在居民楼上安装了小型气象站进行定点数据的收集。

2 城市风场特性分析

2.1 天气预报数据分析

天气预报中的风力和风向通常是根据离地面10m高度的很多个观测点的多个时间段的测量数据进行统计和平均得出的。无论是广播电视中的天气预报，还是网络发布的天气预报，每个城市的风力等级和风向在每一天中几乎都是预报一个固定的值。这个值代表了该地区的平均风力等级，但不代表城市中所有地区和所有时段都是这样一个风力等级。因此，该观测值有一定的参考价值，但不能作为微风发电研究的基础数据。

图1 中国天气网发布的7天天气预报示例

经过较长时间的跟踪查阅后发现，南京地区的常见风力等级为3－4级。根据蒲福风力等级表，风速范围3.4m/ s－7.9m/s。图1为风力范围变化较大的中国天气网发布的7天天气预报，其中多数风力等级为3－4级。在实际查阅中，多数预报几乎都是3－4级。低于3级和高于4级的风力出现概率都比较低。由此看来，南京地区是适合进行微风发电的。

2.2 城市中移动观测数据分析

城市中地貌和建筑外形复杂，导致风场的差异性很大，因而数据采集需要广泛布点。但这样工作量将非常巨大，难以完成。实际观测时先根据研究方法二的要求针对各种各样的地形特点进行初步测量，然后根据测量结果筛选出适合进行微风发电的地点进一步测量分析。由于手工测量能够获取的数据量非常少，在测量过程中还需要观察这些采集点的风力特点，并进行对比分析，为微风发电选址提供更多的参考依据。

图2是经过筛选后的部分采集点的最大风速图。其中有5个地面采集点，2个楼顶采集点。楼顶采集点都是附近范围内的最高点。从图中可以看出，各个采集点在相同的时间段内测量到的风速差异性很大。实际采集过程中同一地点在不同时间段的风速差异性也很大。在这样的情况下，零散的数据很难全面反映每个采集点的具体风力状况。这些数据只能用来粗略判断采集点的风力等级高低。另外，从图2中可以看出，所有采集点中最大风力能达到3级（3.4m/s）以上的情况并不多，说明城市内部的实际风速是明显低于天气预报等级的。天气预报的风力等级不能作为城市微风发电研究的依据。但在测量过程中发现，实测风速的大小是随着天气预报等级同步变化的。

根据图2，地面采集点1的风速值最大。在有风的时间段，其风速和楼顶采集点相当。在无风的时间段，包括楼顶在内的采集点都很难采集到风速，而采集点1依然可以采集到较大的风速。可以看出，采集点1是一个非常适于进行风力发电的地点。图3是采集点1的环境照片。采集位置位于照片中的道路交叉口。参考文献[5]的论述，经过观察分析，该地点具有两个提高风速的地形特点：一是位于大面积坡道的下方，冷空气会沿着坡道下流而产生局部循环风；二是路口西侧有一个空旷的广场，该路口就成为了广场的一个出入口，在建筑物的遮挡下形成狭管效应而提高风速。经过对比，采集点1不仅风速不低于空旷的楼顶采集点，而且持续有风的时间段要多于楼顶点。采集点1的地形特征可以作为城市微风发电中和楼顶同等重要的研究方向。

图2 部分采集点的人工测量最大风速图

图3 采集点1的照片

在采集点1周围观测时还发现一个现象：楼顶旗帜飘扬的方向和地面观测到的风向会出现相反的情况，在风力比较大的天气中也会出现这样的现象。这说明存在局部循环风。在很多地点也经常可以观测到旋风。因此，可以判断城市风场的方向性是比较紊乱的。对于风电机组而言，在同一个迎风面出现多个风向将无法形成方向一致的驱动力，从而不能旋转工作。相比低风速，紊乱的风向可能是导致风电机组在城市中难以正常工作的更重要的因素。对于传统风电机组而言，迎风面尺寸越大，遇到紊乱风向的可能性也越大。因此，在城市中不宜使用大尺寸的风电机组。

通过一段时间的观测和数据分析，初步总结出明显影响城市微风发电的地形特点。

以下为城市中风速相对较高的场所：

（1）高楼的顶部和外墙面。此部位接近城市冠层的顶部，空气流动相对顺畅；

（2）宽敞道路的两侧及道路交叉口。空气容易沿道路方向流动，在交叉口更可以多向流动；

（3）宽阔的广场或湖面周围，因障碍物较少有利于风的运动。在这些空旷地带周边的进出口，会产生相对较高的风速；

（4）建筑物之间狭缝的两端。狭缝中会有狭管效应，产生定向风。狭缝两端可利用风向会更多一些；

（5）特定的地形会产生沿地势上下流动的坡道风；

（6）高架桥、地铁站台。高架桥和地铁的地面站台通常和周围建筑物间距较大，有便于风运动的空间。对于地铁的地下站台，会因为地铁的运行而产生较大的空气流动，可以适当回收利用这些能量。

以下是一些不宜使用风力发电的场所：

（1）周围有高大树木遮挡的房屋；

（2）建筑群中低矮的房屋；

（3）地势明显低于周边的区域。

2.3 居民楼定点采集数据分析

风电机组在实际应用中总是固定在一个地点工作的，而每个具体地点的风力数据往往和天气预报是不一致的。为了了解城市中固定地点的空气流场特性，获得比较接近实际工作状态时的风力数据，在南京市区选择密集建筑群中某七层居民楼顶层阳台处安装气象设备连续采集风力数据。气象设备选用美国Ambient公司的WS-1090小型无线气象站（以下简称WS－1090）。该气象站采用三杯式风速计测量风速，采用尾翼式风向标测量风向。其中风力测量的相关参数如下：

（1）风速测量范围0－112mph（0—50m/s），测量误差±10%；

（2）风向测量范围0－360°，共16个位置点，测量精度22.5°；

（3）测量周期为48s，记录周期平均风速、周期最大阵风风速和风速等级；

（4）主机采用无线方式接收数据，最远距离100m。连续工作时间取决于电池，通常超过半年时间；

（5）可连续记录4080组数据，每组数据最短间隔时间为min。数据可导入计算机中分析；

（6）另可测量并记录温度、湿度、雨量和大气压等。

WS－1090采集的风力数据包括平均风速（Wind Velocity）、阵风风速（Gust Velocity）、平均风级（Wind Level）、阵风风级（Gust Level）和风向。其中，风速的采集精度高于风级。因此，分析数据时统计风速即可。风向数据可用于分析风频。采集的数据可输入计算机并导出为文本格式，便于后期分析处理。

传统风电技术规定风速低于3m/s时为不可利用风能。本研究的目的是开发低速微风发电系统，根据前期对微风发电技术的研究和试验，可将风能利用极限下延至2m/s。在对WS-1090采集的数据进行分析时，低于2m/s的风速定义为不可利用风能，只统计分析2m/s以上的风力数据。在实际采集过程中发生信号故障时会产生空白记录。因此，在数据分析前需要先去除无效数据记录，避免影响统计结果。

图4为WS－1090采集的某一天风速折线图。可以看出，风速范围0－10m/s，变化很大，很频繁，且阵风风速明显大于平均风速。这说明了城市风场中的风速是不连续不稳定的。

经过一段时间采集数据分析后发现，在居民楼采集点周围的风力状况和天气预报有很大的差异。以图5所示一组连续30天采集的数据为例：每天最多采集289条数据，以最低可利用风速2m/s为统计界限，统计风电机组可能的工作时间。经统计，其中最大日平均风速1.83m/s，30天平均风速0.47m/s，30天平均阵风风速1.25m/s。这个结果明显低于天气预报的风力等级，也证实了一个现象：传统风电机组安装在城市中很少能够启动工作。经统计，该30天内风力持续达到2m/s以上的时间占总时间的5.27%，而阵风可以达到2m/s以上占总时间的21.83%。据此可以推算出全年约有460小时具有可连续利用的风能，约2000小时内具有可利用的风能。其余时间段内最大风速都低于2m/s，能量难以采集利用。由此可见，城市中风能的容量系数是很低的。因此，城市型微风发电机必须具有良好的低速工作特性，并且能适应更大的工作风速范围，以尽量多地利用有限的城市风能。

在对风向数据采集和分析过程中发现，风向变化非常频繁，几乎每秒钟风向都会发生变化。而WS－1090最快5min才记录一次数据，采集精度达不到实际使用需求。通过肉眼直接观察后发现，无论风速大小，风向都会频繁变化，最快2s内变化幅度超过360°。这个现象给需要对风后才能工作的水平轴式风电机组带来极大的困难。即使在风速较高的条件下，如此快速变化的风向也会造成风电机组无法正常对风工作。

图4 WS-1090型气象站软件的24小时风速折线图

图5 连续30天的日平均风速

另外，观测中发现三杯式风速计在高速转动时会发生突然趋于停止的现象，这说明风向在快速向风速计旋转的反方向变化。虽然多数垂直轴式风电机组是万向受风型，无需对风装置，但是其工作原理和三杯式风速计是相似的，在这种状态下工作能力也会受到影响。

风速和风向的频繁变化都表明城市风场中充斥着大量的湍流。传统风电机组在大量的湍流中是难以正常工作的。因此，要在城市中利用微风进行发电就必须实现风电机组在湍流状态下能够正常工作。

3 城市风场特性总结

在城市中利用高空风能是很危险且受到限制的，大量开发利用城市风能应针对近地面风场。经过较长时间的观察和大量数据的分析后，总结出直接影响风电机组工作能力的城市风场特性：

（1）城市边界层内部风速明显低于外部风速，尤其是在大量建筑群中间，绝大多数地点的风速要比天气预报的风速低很多；

（2）城市内部风场风速主要受外部风场影响，虽风速偏低，但大小变化基本与外部风场同步。近地风场受地形和建筑物的影响很大。多数情况下是降低风速，但局部地区反而会增加风速；

（3）城市风场既不稳定也不连续，风向变化非常频繁，经常会出现旋转风；

（4）受大量建筑群的影响，城市中近地风充斥着大量湍流，属于紊流流场；

（5）城市中不同地点风力差异性很大。即便是很近的距离，比如同一个楼顶平台，东西南北位置测量出来的数据差别也可能会很大。

4 结 论

根据观测与分析的结果，对城市风力发电影响程度最大的因素有：低风速、频变风向和湍流。城市风场特性与野外自然风场有很大的不同[9]。对照传统风力发电选址的技术标准，得出以下结论：

（1）城市属于风能资源贫乏区，城市风力发电应针对低速微风发电；

（2）城市风能的容量系数很低，应尽量扩大风电机组的工作风速范围，可增加容量系数；

（3）城市风方向性变化很快很频繁，非常不利于需要对风工作的水平轴风电机组。城市型风电机组宜采用万向受风的类型；

（4）受建筑物影响，城市风速变化范围很大，也很频繁。城市型风电机组应设计为在大范围风速内都具有较高的效率；

（5）总体上来说，大量建筑物的存在降低了城市风速，减少了风灾害可能性，但局部地区可能会出现更强的极端阵风。所以，城市型风电机组应具有更高的安全系数。

（6）城市风场中充斥着大量湍流，严重影响传统风电机组的工作性能。城市型风电机组应开发出新的结构来适应湍流流场特性。风电机组尺寸应考虑常见的城市湍流尺度，不宜过大。

以上结论主要基于在南京市观测到的数据和结果，对于大部分其他城市也可适用。

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

[2]苏绍禹. 风力发电机设计与运行维护[M]. 北京: 中国电力出版社, 2003.

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

[4]张志英,赵萍,李银凤,刘万琨. 风能与风力发电技术第二版[M]. 北京:化学工业出版社, 2010: 24-25.

[5]陈飞. 高层建筑风环境研究[J]. 建筑学报, 2008(2):72-77.

[6]刘辉志,姜瑜君,梁彬,等. 城市高大建筑群周围风环境研究[J]. 中国科学D辑(地球科学), 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]徐刚,刘宏昭,穆安乐,等. 基于实测风数据的风力机设计与改进研究[J]. 太阳能学报, 2012, 33(4): 564-570.

[9] 呼津华.低风速风电项目风资源分析的几点体会[J].风能,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

国家级大学生创新创业训练计划（201211122009）。

2013-07-15。

李登君（1991-），男，本科在校生，学习材料成型与控制专业。

韦雅文（1992-），女，本科在校生，学习机械设计制造及其自动化专业。

季丰（1973-），男，本科，工程师，主要从事机械专业教学和微风发电方面的研究。