（一）風是怎麽測量的
風電場測風是風能資源開發的一個重要環節，也是風能資源開發的前提和基礎，它對風電場的設計、建設具有重大影響，做好風電場的測風對於風能開發具有重要的意義。風電行業以前測風塔多由氣象、環保部門建造，用於大氣觀測和大氣環境監測。伴隨著中國風電的快速擴張，中國政府、新能源企業等開始投資建立測風塔，以保證風電場投資建設獲取第一手風能資料。近些年隨著全球對風能資源的普遍關註和風力發電行業的高品質發展，雷達測風、虛擬測風等一些裝置和技術也逐漸普及。
一、測風裝置
目前使用的風電場測風裝置主要有：測風塔、雷射雷達測風儀、聲波雷達測風儀等；主要用於陸地和海上測風。如下圖所示：
目前在陸上風電和灘塗地區的風電開發計畫，較為常用的是桁架式結構和圓筒式結構測風塔，此類測風塔安裝較為簡便,可以不使用大型安裝裝置,以下主要介紹此類測風塔的結構及效能。
1、常用測風塔介紹
風資源測量的主要風資源參數包括：風速、風向、溫度、氣壓和濕度。所采用的測量儀器包括：風速計、風向標、溫度計、氣壓計和濕度計等。
（1）測風塔概述
測風塔的組成包括：塔底座、橫桿、斜桿、風速儀支架、避雷針、拉線、測風軟體以及風杯、風向標等傳感器。測風塔架設在風電場場址內，多為桁架式結構和圓筒式結構，采用鋼絞線斜拉加固方式，高度一般不低於擬安裝風機的輪轂高度。在塔體不同高度處安裝有風速計、風向標以及溫度、氣壓等監測裝置。全天候不間斷地對場址風力情況進行觀測，測量數據被記錄並儲存於安裝在塔體上的數據記錄儀中。
（2）測風塔的安裝要求
測風塔應具備結構安全、穩定、輕便，易於運輸、安裝及維護，風振動小，塔影影響小及防腐、防雷電等特點，測風塔應能抗擊當地最大飆風沖擊以及10~20年一遇的自然災害（如暴雨、洪水、土石流、凝凍結冰等）。對於有結冰凝凍氣候現象的風電場，在測風塔設計、制作時應予以特別考慮。測風塔的形式可根據風電場的自然條件和交通運輸條件，選用桁架形拉線塔、圓筒形拉線塔、桁架形自立塔中的一種，以滿足測風要求為原則。測風塔的接地電阻應盡量滿足規範要求（小於4Ω），若接地確有困難，,應盡可能采用降阻劑等措施降低接地電阻；對於多雷暴地區，測風塔的接地電阻應引起高度重視。
（3）測風塔主要裝置
測風塔中安裝的測風裝置包括：風速計、風向標、測風軟體、溫度計、氣壓計和濕度計等。
（a）風速計
風速的測量儀器有旋轉式風速計、散熱式風速計、聲學風速計、超音波風速傳感器等，風電場通常使用的絕大多數是旋轉式風速計。旋轉式風速計包括風杯風速計和旋槳式風速計。風杯風速計由3個或4個半球形或拋物錐形的空心殼組成。杯形風速計固定在互成120°角的三叉形支架上或互成90°角的十字形支架上，杯的凹面都順向一個方向。整個橫臂則固定在一根垂直旋轉軸上，在風力的作用下，風杯繞軸以正比於風速的轉速旋轉。另一種旋轉式風速計為旋槳式風速計，由一個三葉或四葉螺旋槳組成感應部份，將其安裝在一個風向標的前端，使它隨時對準風的來向。槳葉繞水平軸以正比於風速的轉速旋轉。
風速計安裝在測風塔已確定的各個高度上。為減小測風塔的"塔影效應"對風速測量的影響，風速計應固定在由測風塔塔身水平伸出的牢固支架上，應與塔體保持一定的距離：桁架式結構測風塔為塔架平面尺寸的3倍以上、圓管型結構測風塔為塔架直徑的6倍以上，固定風速計的支架應進行水平校正。安裝風速計的支架與測風區主風方向的夾角控制在30~90°。
此外，散熱式風速計利用一個被加熱物體的散熱速率與周圍空氣的流速有關，這種特性可以用來測量風速，但它主要用於測量小風速。聲學風速計沒有轉動部件，響應快，能測定沿任何指定方向的風速分量，但造價太高。一般測量風速還是使用旋轉式風速計。
（2）風向標
風向標是測量風向的最通用裝置，有單翼型、雙翼型和流線型等，風向標一般是由尾翼、指向桿、平衡錘及旋轉主軸四部份組成的首尾不對稱平衡裝置。其重心在支撐軸的軸心上，整個風向標可以繞垂直軸自由擺動。
風向標安裝在測風塔已確定的高度上。應固定在桁架式結構測風塔直徑的3倍以上、圓管型結構測風塔直徑的6倍以上的牢固橫梁處，迎主風向安裝（橫梁與主風向呈90°），並進行水平校正。此外，風向標應根據當地磁偏角修正，按實際「北」方向安裝。
風向的表示一般用16個方位表示，即為北北東（NNE）、東北（NE）、東北東（ENE）、東（E）、東南東（ESE）、東南（SE）、南南東（SSE）、南（S）、南南西（SSW）、西南（SW）、西南西（WSW）、西（W）、西北西（WNW）、西北（NW）、北北西（NNW）、北（Ｎ）靜風即為（Ｃ）。
風向也可以用角度來表示，以正北為基準，順時針方向旋轉，東風為90°，南風為180°，西風為270°，北風為360°。如圖4所示。
（3）測風軟體
測風軟體主要作用是將測風塔所測風速、風向、溫度和大氣壓力等各項指標透過傳感器以數據形式記錄下來,以便風資源工程師對風資源數據進行後續分析。
目前中國所用測風塔測風軟體主要為：NRG軟體、NOMAD軟體、Second-wind軟體和中國氣象部門自主研發的測風軟體等。
（4）測風裝置的布置
測風塔一般應至少布置3層的風速觀測裝置，同時要布置風向、溫度、氣壓、濕度等氣象要素觀測以滿足今後風能資源評估和設計的有關要求。例如:對於100m高的測風塔，風速觀測設定為7層，一般在30m、50m、70m、80m、90m、100m（2套）高度設定。
測風塔的風向觀測布置，一般布置兩層，分別位於測風塔底層高度和頂層高度。對於特殊情況的風電場（如植被較高等）可適當調整或增加風向觀測裝置。
其他裝置如溫度計、氣壓計和濕度計等一般安裝在測風塔5至10m高度的裝置箱中。
（5）測風裝置的維護和數據管理
目前風電場測風數據的收集、傳輸一般采用自動方式，同時還可以遠端監控。因此，在風電場測風執行期間，應隨時註意測風數據、測風裝置執行、數據傳輸是否正常，一旦發現異常，應及時進行處理。除了進行遠端監控外，還應定期或非週期性到測風現場對儀器裝置進行檢查，從測風記錄記憶卡上收集原始測風數據。
按照規範要求，風電場前期測風一般要持續1年以上，因此最好每個月對測風數據進行初步的整理分析，主要對測風數據完整性、合理性、平均風速、平均風功率密度、風向分布等進行統計分析，發現測風過程中存在的問題，及時提出解決的方法和建議。
（6）測風位置的選擇
所選測風塔安裝地點應在風電場中具有代表性，並且周圍比較開闊；附近應無高的建築物等障礙物，與單個障礙物距離應大於障礙物的3倍，與成排障礙物距離應保持在障礙物最大高度的10倍以上。
測風塔安裝的數量應依風電場的地形復雜程度而定，對於地形較平坦的風電場，可選擇在場址中央選擇有代表性的位置建立1-2基測風塔；對於地形復雜的風電場，測風塔的數量應根據地形的復雜程度適當增加。
（二）風是怎麽評估的
建設風電場最基本的條件是要有能量豐富、風向穩定的風能資源。對風電場風能資源的評估是整個風電場建設、執行的重要環節，是風電計畫的根本，也是風電場建設取得良好經濟效益的關鍵。現有的風能資源評估的技術手段有3種：基於氣象站歷史觀測資料的評估、基於測風塔觀測資料的評估和風能資源評估的數值模擬。
風電場風能資源評估的主要內容有空氣密度、風切、亂流強度、年日變化、風速頻率和風向等。透過對這些要素的分析，我們可以對風電場的風能資源情況有一個了解和判斷。為風機選型和電量等後續工作做好準備工作。
只有了解了一個風電場的風資源情況，我們才能去行評估它的可利用價值，為計畫的評估和建設提供一個前提依據，最終透過經濟評價來確定一個風電計畫的可行性。
一、風電場風能資源分析的依據
風資源分析的依據，來源於測風塔的實測數據。根據【風電場風能資源測量方法】GB/T18709-2002標準中的相關規定，風速數據現場采集的完整率大於98%。
透過對數據完整性和合理性的檢驗，對不合理數據進行分析判斷，整理出測風塔的連續一年的實測數據，根據GB/T18710-2002標準規定，需滿足風電場工程可行性研究報告編制辦法（發改能源[2005]899號）中的要求，最後得到有效數據完整率要大於等於90 %。
二、風電場風能資源分析的基本要素
2.1 空氣密度
密度是物質的一種特性，不隨品質和體積的變化而變化，只隨物態（溫度、壓力）變化而變化。在一定的溫度和壓力下,每立方米空氣所具有的品質就是空氣密度。
一般情況下空氣密度的計算方法有如下兩種：
（1）當測風塔具有氣溫、氣壓及濕度觀測時，按以下公式直接計算輪轂高度的空氣密度（kg/m3）：
式中： T 、P 、E 分別為氣溫（℃）、氣壓（hPa）及水汽壓（hPa）。
（2）當具有溫度和氣壓數據時，可以根據如下公式進行計算：
其中： P 為平均空氣密度（kg/m3），P為年平均氣壓（hPa），R為瓦斯常數（287J/kg.K），T為年平均空氣開氏溫標絕對溫度（℃＋273）。
2.2 平均風速
給定時間內瞬時風速的平均值，給定時間從幾秒到數年不等。
2.3 風切指數
我們通常把空間兩點之間平均風向量的差異，即在同一高度或不同高度短距離內風向和風速的變化稱為風切。從風場情況來看，風切主要可由以下三種基本情況來表示：
（1）水平風的垂直切變。這是指水平風在垂直方向上兩個不同高度點之間的風向和風速的變化。
（2）水平風的水平切變。這是指水平風在水平方向上兩個不同距離點之間的風向和風速的變化。
（3）垂直風的切變。這是指上升或下降氣流(垂直風)在水平方向(或航跡方向)上的變化。
產生風切的原因主要有兩大類，一類是大氣運動本身的變化所造成的；另一類則是地理、環境因素所造成的。有時是兩者綜合而成。我們通常關註的是水平風的垂直切變。即風在垂直於風向平面內的變化。它反映了風速隨高度的變化趨勢。
風切指數計算公式:
式中，
分別為高度
，的風速，α為風切指數，其值與地面粗糙度有關。風切指數對於風電機組的設計非常重要，同一台風力發電機組在不同的高度，獲得的風能是不同的。例如，一個測風塔分別在60m和80m處測得年均風速為6.8m/s和7.3m/s，輪轂高度為120m，由公式可以求出風切為：
如果認為80m與120m之間的風切保持不變，則可按如下方法計算120m高度處風速。令=80m，=120m，則=7.3m/s，得到：
2.4 亂流強度
亂流是描述風速隨時間和空間變化的強度指標。根據IEC標準規定，風電場亂流強度是指10分鐘內風速隨機變化振幅大小，是10分鐘平均風速的標準偏差與同期平均風速的比率，是風機安全等級分級的重要參數之一。
亂流強度是標準風速偏差與平均風速的比率。它是衡量亂流強弱的相對指標。亂流強度是描述風速隨時間和空間變化的程度，反映脈動風速的相對強度，是描述大氣亂流運動特性的最重要的特征量。環境亂流強度計算公式為：
式中，為σ風速的標準偏差， v為平均風速。
眾所周知，位於下風向的風電機組將受到來自上風向風電機組尾流的影響。尾流影響不僅降低了下風向風機的出力水平，而且增加了下風向風機的亂流強度。因此，確定風電機組亂流強度等級不僅取決於環境亂流強度，更應考慮因為風機尾流產出的亂流強度。風電場中風機承受的有效亂流強度由環境亂流強度和因為風電機組彼此之間尾流產生的亂流強度兩部份組成。
2.5 五十年一遇計算方法
方法一：極值Ⅰ型估算50 年一遇最大10分鐘平均風速。風速的年最大值x采用極值I型的機率分布，其分布函式為：
式中， u —分布的位置參數，即分布的眾值；α—分布的尺度參數。分布的參數與均值μ和標準差σ的關系按下式確定：
其中，Vi為連續n個年最大風速樣本序列
，系數c1和c2見下表：
方法二： 以五日最大風速取樣法估算不同高度50年一遇最大10分鐘平均風速
風電場風資源評價要求有連續一整年的場內實測風數據，用此測風序列逐日選取不同高度上的五日最大10分鐘平均風速樣本，用於估算50年一遇的最大10分鐘平均風速。
測站50年一遇最大風速按下式計算：
方法三： 用歐洲風電機組標準Ⅱ的方法估算風電場50年一遇最大和極大風速。
歐洲風電機組標準中建議：在中緯度地區，當威布爾（Weibull）分布的形狀參數1.77≤k<2.0時，
是適合的（其Vref是50 年一遇的最大10分鐘平均風速，Vave是年平均風速）；50 年一遇的極大3秒鐘平均風速一般是最大10min平均風速的1.4倍。
2.6 風速與風功率密度年變化
風速與風功率密度年變化是指以年為基數發生的變化。風速年際變化是從第一年的1月到12月的月平均風速（或風功率密度）變化。
由於中國屬於典型的季風氣候區，平均風速隨季節而變化，並且有明顯的年變化規律。平均風速的年變化、日變化規律取決於緯度和地貌特征。風功率密度的變化較其風速變化更進一步地反應了風電場風況特征，它蘊含了風速、風速分布和空氣密度的共同影響。下圖為中國某風電場的風速與風功率密度年變化圖。
圖2-1 風速風功率密度年變化曲線圖
2.7 風速與風功率密度日變化
風速與風功率密度日變化以日為基數發生的變化。某地氣象要素在一日內有規律的周期變化。例如氣壓日變化、溫度日變化、風速日變化等。它們體現了由於日夜更替所引起的周期性變化，而不包括因天氣形勢變化（例如氣團平流變化）所引起的非周期變化。下圖為中國某風電場的風速與風功率密度日變化圖。
圖2-2 風速風功率密度日變化曲線圖
2.8 風速與風能頻率
風速頻率是在一個月或一年的周期中，某風速段內時間頻次占總時間數的百分比，風能頻率是該風速段內能量與總能量之比。
透過風速頻率，可以了解風速的分布，選擇合適的機型，例如下圖所示，此風分頻布適合於中低速風速段出力較高的風力發電機組。也可以利用風速頻率和風力發電機組功率曲線直接估算風電場電量。
圖2-3 風速風能頻率變化直方圖
2.9 風向與風能玫瑰圖
風向與風能玫瑰圖表示風速與風能在各方向內的頻率占比和能量占比。風向玫瑰圖是將某一段時間內風速觀測的次數，按方位分類統計，然後將每一方位的觀測次數，除以該段時間內觀測的總次數，再乘以100即得到各種風向的風向頻率。風能玫瑰圖是統計一段時間內，各方向內能量與總能量之比，
圖2-4 風向頻率玫瑰圖（左）和風能頻率玫瑰圖（右）
透過風向玫瑰圖，可以了解到風電場的盛行風向，在排布時，垂直當地的盛行風向。了解當地的盛行風向對微觀選址具有重要的意義，可以避開盛行風向上的障礙物，當然，當地地形條件對風向的分布也具有決定作用。
2.10 代表年說明及訂正方法
現中國一般陸上風電場的執行期為20年（風力發電機組執行壽命為20年；海上風電場執行多為25年）,為了保證我們評估的風能資源數據具有20年的代表性,所以要對風電場短期的風能資源數據（實測數據），結合附近有代表性的長期測站的觀測資料，將驗證後的風電場短期測風數據訂正為一套反映風場長期平均水平的代表性數據進行風資源分析,即為代表年數據。
代表年訂正的最常規方法為：
（1）對風電場測站與長期測站同期的各風向象限的風速進行相關分析，將測風塔10 m高度處的測風資料與氣象站同步實測的風速、風向數據進行16個風向磁區的相關分析，相關函式采用線性方程式y=kx+b （y代表風電場風速，代表氣象站風速）。
（2）根據氣象站測風年與所選長期系列風速差值，對每個風速相關曲線，在橫座標軸上標明長期測站多年的年平均風速以及與風電場測站觀測同期的長期測站年平均風速，然後在縱座標軸上找到對應的風場測站的兩個風速值，並求出這兩個風速值的代數差值。
（3）風電場測站數據的各個風向象限內的每個風速都加上對應的風速代數差值，即可獲得訂正後的風電場代表年風速風向資料。
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