风能资源和风电场开发（三）——风的描述

(2) 风功率密度

风功率密度是气流在单位时间垂直通过单位面积的风能：

P=0.5ρV3 (4)

式中：P：风功能密度，单位为W/m2;

ρ：空气密度，单位为kg/m3;

V：风速，单位为m/s。

风功率密度的大小与空气密度、气流速度的立方成正比。

在风能和风功率密度计算中，最重要的因素是风速，风速增加1倍，风能或风功率密度增加7倍。

表4是国家标准“风电场风能资源评估方法”(GB/T18710-2002)给出的风电场风功率密度等级的7个级别。

一般来讲，年平均风速越大，年平均风功率密度也越大，风能可利用的小时数也越多，风电场发电量越高。因此，年平均风速和风功率密度是评价风电场风能资源水平的主要指标。随着风力发电机组技术的提高、轮毂高度的增加以及造价的降低，一般风功率密度等级达到2级，风电场就具备开发价值。

表4 风功率密度等级表

4空气密度

空气密度是指单位体积的空气质量。

在标准大气压下，15℃时的每立方米空气重量为1.225kg。

空气密度的计算式1：

式中：Ρ：平均空气密度，kg/m3;

p：平均气压，hPa;

e：平均水汽压，hPa;

t：平均气温为，℃。

空气密度的计算式2：

式中：P：年平均大气压力，Pa;

R：气体常数(287 J/kg˙K);

T：年平均空气开氏温标绝对温度(℃+273)。

空气密度的计算式3：

ρ=(353.05/T)exp-0.034(z/T) (kg/m3) (7)

式中：z：海拔高度，m;

T：年平均空气开氏温标绝对温度(℃ + 273)。

5粗糙度和风切变指数

(1) 粗糙度

由于地面对风的摩擦力，风速随离地面高度而发生显著变化。风廓线是表示风速随离地面高度变化的曲线。

粗糙度即粗糙长度，它是衡量地面对风的摩擦力大小的指标，在假定垂直风廓线随离地面高度按对数关系变化情况下，平均风速变为0时算出的高度。一般来讲，地表表面的粗糙度越大，对风的减速效果越明显。例如，森林和城市对风速影响很大，草地和灌木地带对风的影响相对比较大，机场跑道对风的影响相对较小，而水面对风的影响更小。表1-5给出了不同地表面状态下的粗糙长度。

表5 不同地表面状态下的粗糙长度