Технологии / Техническое руководство
Плотность воздуха в ветроэнергетике: температура, давление и влажность
Скорость ветра описывает движение, плотность воздуха — массу в объёме. Температура, давление и состав связывают эти величины моделью состояния газа. Влажность меняет состав и смысл атмосферного показания.
Сравните одно и то же движение при разных состояниях воздуха.
Сравнение плотности должно указывать неизменные величины. Изменение температуры при постоянном давлении отличается от изменения давления при постоянной температуре; ни одно само не восстанавливает рабочую точку генератора.
01 / Параметры состояния
Плотность относится к заданному состоянию.
Массовая плотность ρ — масса, делённая на объём, в kg/m³.
Массовая плотность ρ — масса, делённая на объём, в kg/m³. Статическое давление, абсолютная температура и состав газа описывают соответствующее состояние. Обзор NASA отличает эти свойства от скорости движущегося воздуха.
Указанная плотность поэтому не просто другое название высоты или скорости ветра. Две порции воздуха с одинаковой скоростью могут иметь разную массу на объём. Равным образом плотность одной порции может оставаться близкой при изменении направления и скорости.
02 / Давление
Используйте абсолютное давление в зависимости состояния газа.
В описании идеального газа ρ = p/(Rspec T), где p — абсолютное давление, T — абсолютная температура, а Rspec — удельная газовая постоянная в J/(kg K).
В описании идеального газа ρ = p/(Rspec T), где p — абсолютное давление, T — абсолютная температура, а Rspec — удельная газовая постоянная в J/(kg K). Избыточное давление относительно произвольного отсчёта не может заменить p без преобразования.
Уравнение выражает термодинамическую связь, а не утверждает полную идеальность реального влажного воздуха. При неизменных температуре и составе абсолютное давление ниже на 10% даёт плотность ниже на 10% в этой модели; иные одновременные изменения требуют отдельных членов.
03 / Температура
Температурное отношение использует кельвины.
При постоянных давлении и составе в той же идеальной модели плотность обратно пропорциональна абсолютной температуре.
При постоянных давлении и составе в той же идеальной модели плотность обратно пропорциональна абсолютной температуре. Прямое сравнение температур в градусах Цельсия даёт неверное отношение: ноль шкалы Цельсия не является термодинамическим нулём.
В условном сравнении от 300 K до 315 K отношение плотностей равно 300/315, около 0.9524. При заданных ограничениях это снижение на 4.76%. Оно не предсказывает такого же процентного изменения отдаваемой электрической мощности турбины.
04 / Водяной пар
Состав меняется даже при неизменном полном давлении.
Водяной пар имеет меньшую молярную массу, чем смесь сухого воздуха.
Водяной пар имеет меньшую молярную массу, чем смесь сухого воздуха. Замена части молекул сухого воздуха молекулами воды при тех же полном давлении и температуре снижает плотность смеси. Это сравнение не означает добавления массы воды с сохранением всех молекул сухого воздуха в постоянном объёме.
Работа CIPM о влажном воздухе, размещённая NIST, явно учитывает мольную долю пара и коэффициент сжимаемости. Относительная влажность — доля от состояния насыщения при данной температуре; она сама не является ни мольной долей пара, ни процентом плотности.
05 / Массовый расход
Одинаковая скорость не означает одинаковую переносимую массу.
Для однородного потока по нормали к заданной площади массовый расход равен ρAU.
Для однородного потока по нормали к заданной площади массовый расход равен ρAU. При изменении только плотности эта величина меняется пропорционально. Динамическое давление также содержит плотность, но зависит от квадрата скорости, а не линейно, как руководство по давлению поясняет.
Вращающаяся лопасть дополнительно испытывает местный относительный поток. Плотность влияет на аэродинамический расчёт вместе с геометрией и состоянием потока. Одного отношения плотностей недостаточно, чтобы учесть изменения коэффициентов, реакцию управления, потери преобразования или электрический эксплуатационный предел.
06 / Условия
Разделяйте модель атмосферы и пределы продукции.
Эталонная атмосфера, измеренное состояние и приближение влажного воздуха служат разным целям.
Эталонная атмосфера, измеренное состояние и приближение влажного воздуха служат разным целям. Их исходные данные и диапазоны применимости должны быть явными. Удобная стандартная плотность — выбор отсчёта, а не доказательство постоянного соответствия условий.
Эта страница не задаёт климатический диапазон MARSTON или кривую поправки выработки. Её цель — объяснить состояние воздуха; руководство по пространственному осреднению рассматривает представление неоднородного поля скоростей по ротору.
Связанные технические руководства: Динамическое и статическое давление, коэффициенты ветроустановки · Пространственное осреднение на роторе: точечный ветер, среднее по площади и эквивалентная скорость · Нелинейные средние: почему куб среднего меняет результат.
Общие сведения: NASA Glenn: параметры состояния газа и плотность · Оригинальная работа CIPM о плотности влажного воздуха, размещённая NIST. Эти источники объясняют отраслевые принципы и отличаются от применимых документов продукции и проектов MARSTON.
Ключевые понятия и условия.
Рассматривайте каждую величину с её отсчётом, единицами и условиями. Общая зависимость не устанавливает значение для конкретной модели.
| Понятие / величина | Смысл / связь | Условия / пределы |
|---|---|---|
| Плотность | ρ в kg/m³ | Масса на объём при заданном состоянии. |
| Давление | Абсолютное p в Pa | Отсчёты избыточного и абсолютного давления различаются. |
| Температура | T в K | Для отношений нужна абсолютная шкала. |
| Водяной пар | Доля компонента | Относительная влажность — другая величина. |
| Массовый расход | ρAU в kg/s | Модель однородного нормального потока и заданная площадь. |
Инженерные вопросы.
Является ли плотность другим названием скорости ветра?
Нет. Плотность касается массы на объём, а скорость — движения.
Можно ли делить показания Цельсия для получения отношений плотностей?
Нет. Температурное отношение для идеального газа использует кельвины.
Означает ли рост влажности всегда добавление массы при постоянном объёме?
Это другое ограничение. Здесь сравнение сохраняет полное давление и температуру неизменными при смене состава.
Равна ли относительная влажность мольной доле пара?
Нет. Она относится к насыщению при заданной температуре.
Доказывает ли изменение плотности на 4.76% изменение электрической мощности на 4.76%?
Нет. Важны также аэродинамика машины, управление и электрические условия.
Приведены ли фактические допустимые условия окружающей среды для MARSTON?
Нет. Это объяснение параметров состояния, а не климатическая или эксплуатационная характеристика продукции.
Технический запрос
Обсудите технический вопрос.
Скорость ветра описывает движение, плотность воздуха — массу в объёме. Предоставьте модель и применимые эксплуатационные или проектные сведения для инженерного обсуждения.