风能资源统计与计算

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风能资源统计与计算——风能可利用时间
在风速概率分布确定以后，还可以计算风能的可利用时间。有效风力范围内的风能可利用时间可以由下式求得 :      

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! l3 I+ k1 x# C3 v: J) F由上可知，只要给定了威布尔分布参数c和k之后，平均风功率密度、有效风功率密度，风能可利用小时数都可以方便地求得。另外，知道了分布参数c、k，风速的分布型式便给定了，具体风力发电机组设计的各个参数同样可以加以决定，而毋须逐一查阅和重新统计所有的风速观测资料。它无疑给实际使用带来许多方便。一些研究结果还表明，威布尔分布不仅可用于拟合地面风速分布，也可用于拟合高层风速分布。其参数在近地层中随高度的变化很有规律。当我们知道了一个高度风速的威布尔分布参数，便不难根据这种规律求出近地层中任意高度风速的威布尔分布参数。由于这些特点，使得用威布尔分布拟合风速频率分布较之用其它分布拟合更为方便。
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# Z0 s* r; E5 U6 }9 t1 ]5 q! D风能资源统计与计算——风能密度
平均风能密度
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5 w  G6 U7 Q3 T8 [! m7 S0 x有效风速和有效风能密度
风力机械要根据当地的风况确定一个风速来确定风力机的额定功率，该风速称为“设计风速”或“额定风速”,它与“额定功率”相对应。由于风的随机性的不稳定，风力机械不可能始终在额定风速下运行。因此风力机械就有一个工作风速范围，即从切入风速到切出速度，称为工作风速，即有效风速。切入风速到切出速度(V1-V2)之间的风能称为有效风能。依此计算的风能密度称为有效风能密度。
根据国标 GB8974-88风力机名词术语的定义：
' e9 M! n/ s" K. [起动风速：风力机风轮由静止开始转动并能连续运转的最小风速；
+ W6 U. g. p9 M/ m切入风速：风力机对额定负载开始有功率输出时的最小风速；
切出风速：由于调节器的作用使风力机对额定负载停止功率输出的风速；
: Y4 y) S  |) u7 l: m工作风速：风力机对额定负载有功率输出的风速范围，一般为 3～ 2 0 m/ s。
从定义上可以看出，低于起动风速，风力机不能运行，而高于切出风速继续运行，风力机将会严重损坏，甚至造成人身事故，这尤其要引起人们的重视。
0 [6 S2 Z: P* L6 X/ W根据（10）式计算有效风能密度。在有效风速范围（风力发电机组切入风速到切出风速之间的范围）内，设风速分布为p'(V)，风速立方的数学期望为：
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风能资源统计与计算——年平均风速
年平均风速是一年中各次观测的风速之和除以观测次数，它是最直观简单表示风能大小的指标之一。
8 d3 W+ X$ E  z风速的威布尔分布函数为:
9 @, X' ~4 C% i- R* P' H
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* n6 ~5 b% U: ]
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5 S+ ?) N) b' q. W2 J: Q我国建设风电场时，一般要求当地在10m高处的年平均风速在6m/s左右。这时，风功率密度在200～250W/m2，相当于风力发电机组满功率运行的时间在2000h～2500h，从经济分析来看是有益的。
但是用年平均风速来要求也存在着一定的缺点，它没有包含空气密度和风频在内，所以年平均风速即使相同，其风速概率分布型式p(V)并不一定相同，计算出的可利用风能小时数和风能有很大的差异。
8 b- u0 O; E& U9 {风能资源统计与计算——威布尔（Weibull）分布
7 |* X7 e' d( i; Y7 R, A' {3 G" p关于风速的分布，国外有过不少的研究，近年来国内也有探讨。风速分布一般均为正偏态分布，一般说，风力愈大的地区，分布曲线愈平缓，峰值降低右移。这说明风力大的地区，一般大风速所占比例也多。如前所述，由于地理、气候特点的不同，各种风速所占的比例有所不同。
7 z2 F" Q. c9 ]2 p

    通常用于拟合风速分布的线型很多，有瑞利分布、对数正态分布、G分布、双参数威布尔分布、三参数威布尔分布等，也可用皮尔逊曲线进行拟合。但威布尔分布双参数曲线，普遍认为适用于风速统计描述的概率密度函数。

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                   图13：威布尔分布双参数曲线

1 n$ O5 W6 i8 x& T, S  ^" k+ r

风能资源统计与计算——空气密度

从风能公式可知，r的大小直接关系到风能的多少，特别是在海拔高的地区，影响更突出。
" D- U  l/ \$ Q- T$ V) |$ i. {" ^在近地层中，空气密度r的量级为100，而风速（V3）的量级为102~103。因此在计算中具
+ i( ^8 n% ]7 ~1 L8 m% v有决定性意义，不可小看。另一方面，由于我国地形复杂，空气密度的影响也必须要加以考虑。
一般来说，空气越重，能量越大，一般15摄氏度，空气密度为1.225kg/m2 ，为标准空气密度。
但湿度增加，空气密度会有一些降低。同样，冷空气比暖空气密度大，同样高度，山区里，气
压低，空气密度低。
表5：空气密度表

温度（0C氏度）	温度（0Farenheit）	干燥空气质量（kg/m3）	最大水分含量（kg/m3）
-25	-13	1.423
-20	-4	1.395	1 ^, X% V! U7 Z% G( M
-15	5	1.368	# n; \5 V4 G1 m8 ~6 j8 w
-10	14	1.342
-5	23	1.317
0	32	1.292	0.005
5	41	1.269	0.007
10	50	1.247	0.009
15	59	1.225	0.013
20	68	1.204	0.017
25	77	1.184	0.023
30	86