国际电气工程先进技术译丛 风能气象学.pdf

国际电气工程先进技术译丛风能气象学Wind Energy Meteorology（德）Stefan Emeis 著张怀全 译机 械 工 业 出 版 社本书意在介绍陆上和海上风力发电的气象学边界层条件，为这一重要的可再生能源形式的规划和运营提供可靠的气象学信息，包括风法则的推导和对风轮廓线的描述等；同时论述了复杂地形和海上风场的风况研究，以及夜晚低空急流；还有一章专门讲述了大型风电场和效率及其尾流问题。本书的理论性很强，具有一定的开创性和总结性，参考价值很高。本书适合对风资源评估的气象学理论感兴趣的读者，是风资源评估知识体系的重要组成部分。Translation from English language edition：“Wind Energy Meteorology”byStefan Emeis.Copyright 2013，Springer Berlin Heidelberg.Springer Berlin Heidelberg is a part of Springer Science+Business Media.All Rights Reserved.本书中文简体字版由 Springer 授权机械工业出版社独家出版。版权所有，侵权必究。本书版权登记号：图字 01-2013-4240 号图书在版编目（CIP）数据风能气象学/（德）艾梅斯（Emeis，S.）著；张怀全译.北京：机械工业出版社，2013.12（国际电气工程先进技术译丛）书名原文：Wind Energy MeteorologyISBN 978-7-111-44668-2.风.艾 张.风力能源气象学.P442中国版本图书馆 CIP 数据核字（2013）第 261525 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）策划编辑：张俊红 责任编辑：吕 潇版式设计：闫玥红封面设计：常天培 责任校对赵颖喆 责任印制2014 年 1 月第 1 版第 1 次印刷169mm 239mm10.25 印张209 千字0 0013000 册标准书号：ISBN 978-7-111-44668-2定价：49.80 元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务社 服 务 中 心：（010）88361066销 售 一 部：（010）68326294销 售 二 部：（010）88379649读者购书热线：（010）88379203网络服务 教材网：http：/ 机工官网：http：/ 机工官博：http：/ 封面无防伪标均为盗版北京华正印刷有限公司印刷李 洋译者序风能无疑是 21 世纪解决人类能源需求的重要途径之一，尤其对人口众多且正处在发展中的中国，意义更是非比寻常。风能是可再生的清洁能源，对改善我国的能源结构，满足日益增长的能源需求都意义重大。风是大气流动的产物，因此也是一个气象参数。那么为了更好地利用风能，就必须研究气象学。气象学在风能领域的应用有其独特性，有些大气特征变得更为重要，因此与传统的气象学有一定的差别。同时，风力发电机的大型化和风电场的复杂化，使得风力发电机所承受的风况条件更加复杂，对气象学的研究也就因此变得更加重要。正是出于实际应用的需要，风能气象学在近些年逐渐发展成为了气象学的一个独立的分支。风能气象学是风资源评估与微观选址的理论基础，具有十分重要的实用价值。本书从简单地形开始，拓展到复杂地形以及海上风场，非常系统地论述了风能气象学这一学科体系，是作者 Stefan Emeis 多年的气象学研究和风能应用经验的结晶。译者有幸接触了这本书，并将这本书的译本展示给国内广大读者，期望对我国风能的更合理和有效的利用有积极的促进作用。本书比译者编著的 风资源与微观选址：理论基础与工程应用 更好地阐述了气象学在风资源与微观选址领域的应用。鉴于译者能力有限，也许会有文不达意之处，请读者见谅。译者想感谢机械工业出版社对风电领域专业书籍的一贯支持，为促进我国风电开发的技术进步做出了重大贡献。译者也真心希望本书能丰富国内风资源评估领域的参考文献。张怀全原书序目前，已有很多关于如何将风的动能转化成电能的书籍上市。本书由气象学家撰写，将完全专注于影响风力发电的大气特征和现象。据我所知，这样的书尚不存在。本书展示当今被称为“能源气象学”的一部分，为气象学领域的一个新兴的分支学科。感谢 Springer Science Media 邀请我撰写此书，作为触及可再生能源方方面面的“绿色能源与技术”系列丛书的组成部分。该系列已经包含了风能领域的多个主题。这些主题多从技术角度出发，但是没有专注于风能转化的气象边界条件的。尤其感谢 Springer 的 Claus Ascheron，他伴随了稿件的准备过程，并提供了宝贵的意见。我本人从 20 世纪 80 年代起，就一直是气象学领域的科学家。能源气象学领域在 20 多年前就引起了我的注意，虽然“能源气象学”的名词并不那么久远。我对这一学科的兴趣起始于丹麦 Roskilde 附近的 Ris 丹麦国家实验室风能学会 今天是丹麦理工大学（DTU）的一部分 的一个公休假，期间我幸会了边界层气象学专家，并看到了最早的风力发电机测试场之一。我至今仍然保持着与该知名的丹麦研究机构的富有成果和友好的联系。1991 年，我还第一次在 Ris 见到了晚年的Sten Frandsen，与他的对话激起了我对风场问题的关注。本书第 6 章展示的内容就是那次在 Ris 停留期间产生的想法，不过是更加详述的版本。因此，我将第 6 章献予他。后来，我从事了多年用 SODAR 仪器分析大气边界层声谱轮廓的工作。这些仪器基于对背散射信号的多普勒频移的分析，让我们能在地面对边界层风轮廓进行探测。这一技术在 20 世纪 90 年代引起了风能领域的注意。近些年，对云幕仪（RASS 和风激光雷达）的操作补充了我的实验和专业知识。另外，我在多个研究项目中，用德国海上测量平台 FINO1 的数据研究了海洋边界层的独特性。我是南德国风能研究联合会 WindForS 的成员。这些海洋边界层的研究项目由德国环境部、自然保护和核安全（BMU，FKZ032 99 61，032 50 50，032 53 04）多次授予资金支持。RAVE 计划（在 AlphaVentus 的研究）内的项目的初衷是为了德国第一个海上风场 Alpha Ventus 的科学建立。该风场坐落于德国湾（German Bight），距离海岸线最短距离 45km，水深约30m。第一台风力发电机开始吊装的 6 年前，在 Alpha Ventus 建设了 100m 高的气象测量塔（FINO1），用以帮助研究海洋边界层。本书中关于海洋边界层的很多信息都是基于该塔。该塔从 30m 到 100m 有 8 个测量平台。对该塔数据的评估主要由我的两名 PhD 学生 Matthias Trk 和 Richard Foreman 完成。更多的资金支持通过丹麦理工大学 Ris 实验室的 Sven-Erik Gryning 带领的项目获得，该项目目前由Forsknings 和丹麦科学技术发展部创新局（Sagsnr 2104-08-0025）对“大型风力发电机 高达 400m 的风轮廓”项目内支持。城市边界层则部分基于由德国教育与研究部（BMBF）在 AFO2000 计划框架内资助的研究成果。附录 A 的图 A.1 和A.2 中的来自 Graswang 的数据，通过由 BMBF 资助的 Helmholtz 社团的 TERENO 项目框架获得。对复杂地形的风流研究则在一定程度上由于多个私营公司的资助才成为可能。稿件的草稿版本由 Beatriz Caadillas、Richard Foreman、Tom Neumann 和 Mat-thias Trk 阅读。我感谢他们的宝贵意见、建议和帮助。但是，对于任何错误或不一致性则由我个人承担。我希望这本书能够促使风能转化的气象学部分变得更加清晰。我们迫切需要可再生能源生产的有效策略，来应对人类对能源的需求，更好地理解风力发电的气象前提则应该是这一策略的组成部分。Stefan Emeis原 书 序目录译者序原书序变量表第 1 章 内容介绍1 1.1 本书讨论的范围1 1.2 现存文献的总览2 1.3 风力发电的历史2 1.4 风力发电的潜力3 1.5 风力发电的现状4 1.6 本书的结构5 参考文献6第 2 章 风况7 2.1 全球循环7 2.2 驱动力8 2.2.1 静力方程8 2.2.2 风的动量收支方程9 2.3 地转风和梯度风11 2.4 热成风12 2.5 边界层的风13 2.6 雷暴阵风和龙卷风14 2.7 空气密度14 参考文献16第 3 章 平原地形上的垂直轮廓17 3.1 表面层（Prandtl 层）19 3.1.1 对数风轮廓21 3.1.2 指数风轮廓25 3.1.3 对数法则与指数法则对比25 3.1.4 大风速下时的垂直风轮廓31 3.2 表面层之上的轮廓线法则31 3.2.1 艾克曼层方程31 3.2.2 艾克曼层内的惯性震荡32 3.2.3 艾克曼层内的垂直风轮廓33 3.2.4 边界层内风轮廓线的统一描述33 3.3 频谱37 3.4 风轮廓的日变化39 3.4.1 威布尔参数的垂直轮廓40 3.4.2 低空射流42 3.5 内部边界层46 3.6 森林之上的风和湍流轮廓49 3.7 城镇里的风50 3.7.1 城镇边界层的特点50 3.7.2 风和湍流的垂直轮廓线52 3.7.3 城市冠层的空间流现象55 3.8 平原地形总结55 参考文献56第 4 章 复杂地形的风60 4.1 复杂地形上的边界层特征60 4.1.1 山风和谷风61 4.1.2 重力风64 4.2 孤山上的风轮廓64 4.2.1 位势流64 4.2.2 位势流的修正：内层的附加项66 4.2.3 位势流的修正：考虑热稳定性69 4.2.4 山上的威布尔参数69 4.3 悬崖上的风轮廓70 4.4 频谱73 4.5 日变化73 4.6 复杂地形总结73 参考文献74第 5 章 海洋风76 5.1 海洋边界层的特征76 5.1.1 海洋表面粗糙度和拖曳系数77目 录 5.1.2 风浪区和与稳定性相关的波浪形成80 5.1.3 极端浪高85 5.1.4 波龄86 5.1.5 水汽垂直轮廓的影响87 5.1.6 年波动和日波动88 5.2 垂直轮廓88 5.3 极端风速91 5.4 湍流92 5.4.1 湍流强度92 5.4.2 风速方差96 5.4.3 湍流长度尺度和倾角98 5.4.4 阵风事件99 5.5 威布尔参数102 5.6 海岸效应103 5.6.1 海陆风104 5.6.2 低空急流105 5.7 海洋边界层总结105 参考文献106第 6 章 风场物理109 6.1 风力发电机尾流109 6.2 风场平均风速分析模型111 6.3 风场尾流分析模型117 6.4 分析模型对 FINO1 稳定性数据的应用119 6.5 龙卷风袭击风场的风险121 6.6 风场总结121 参考文献122第 7 章 展望125 7.1 风力发电机的尺寸125 7.2 海上风电场的大小125 7.3 其他风能转换技术126 7.4 评估风条件的新型测量和模型工具126 7.5 风资源和气候变化126 7.6 大规模风能提取对天气和气候的反馈127 参考文献128风能气象学附录129附录 A 统计工具129 A.1 时间序列分析129 A.2 平均风速频谱和威布尔分布133 A.3 极端平均风速和 Gumble 分布137 A.4 极大阵风138 A.5 阵风持续时间和阵风内的风加速139 A.6 湍流元素的大小140附录 B 边界层结构和高度的遥感141 B.1 声学检测方法143 B.1.1 回声接收法143 B.1.2 水平风速法143 B.1.3 垂直风方差法143 B.1.4 加强回声接收法144 B.2 光学探测法145 B.2.1 阈值法145 B.2.2 梯度法或微分法146 B.